Теория компенсации реактивной мощности

Когда устройства реактивной мощности, будь то емкостные или индуктивные, намеренно добавляются в энергосеть для достижения определенного результата, это называется компенсацией. Это так просто. Это может включать в себя большую пропускную способность, улучшенные характеристики стабильности и улучшенные профили напряжения, а также улучшенный коэффициент мощности. Реактивные устройства могут быть подключены как последовательно, так и параллельно (шунтирующее).

Знаете ли вы, что такое компенсация реактивной мощности? Если нет, продолжайте читать, это важно.

Прежде чем мы углубимся в описание применений компенсации и других деталей, давайте напомним себе основы потока мощности.

Как видно на рисунке 1, проиллюстрирован поток мощности в электрической цепи. Канал имеет полное сопротивление R+jX, и мы предполагаем, что V1>V2 и что V1 опережает V2. В большинстве энергетических сетей X>>R, и реактивная мощность течет от A к B. Направление потока реактивной мощности можно изменить, установив V2>V1.

Величина потока реактивной мощности определяется разностью напряжений между точками A и B. Когда R игнорируется, поток реактивной мощности Q определяется по следующей формуле:

Q = V2(V1 − V2)/Х

Рисунок 1. Типичные потоки мощности в электрических цепях

Идеальная ситуация – когда V1 = V2, а поток реактивной мощности равен нулю.

Максимально возможная передача активной мощности Pmax определяется как Pmax = V1V2 / X. Из приведенной выше формулы ясно, что пропускная способность активной мощности улучшается, если увеличивается V2.

Хорошо, давайте теперь углубимся в устройства реактивной мощности, их схемы, векторные диаграммы, применение, что можно и чего нельзя делать, а также другие важные предостережения.

1. Серийные конденсаторы

Последовательные конденсаторы используются для нейтрализации части индуктивного сопротивления электрической сети. Это показано на рисунке 2. Из векторной диаграммы на рисунке 3 мы видим, что напряжение нагрузки выше, когда в цепь включен конденсатор.

Рисунок 2 – Использование последовательных конденсаторов для нейтрализации дроссельных реакторов

Рисунок 3 – Векторная диаграмма с последовательным конденсатором в цепи

Введение последовательной емкости в сеть уменьшает чистое реактивное сопротивление X и увеличивает напряжение нагрузки, в результате чего пропускная способность цепи увеличивается, как видно из уравнения Q = V2(V1 – V2)/X.

Последовательные конденсаторы имеют следующие преимущества для сети:

    – Улучшенные условия напряжения

    – Повышенная стабильность работы

    – Управление балансами реактивной мощности

    – Помощь в распределении нагрузки и контроле общих потерь при передаче.

Из-за увеличения пропускной способности компенсация последовательных конденсаторов может задержать инвестиции в дополнительные воздушные линии и передающее оборудование, что может принести выгоду от капитальных вложений для коммунальной компании, а также улучшить воздействие на окружающую среду.

Конденсаторная батарея на 33 кВ, 1,25 МВАр в системе электроснабжения и освещения Нью-Йорка стала первой в истории установкой последовательных конденсаторов в 1928 году. С тех пор по всему миру было развернуто множество систем с более высоким номиналом.

Установка последовательной емкости в системе передачи переменного тока может привести к явлению субсинхронного резонанса (ССР) из-за взаимодействия между компенсированной электрической системой (при электрическом резонансе) и механической системой турбогенератора (при механическом резонансе). ).

Затем происходит обмен энергией между электрической и механической системами на одной или нескольких собственных частотах объединенной системы ниже синхронной частоты системы. Могут возникнуть возрастающие механические колебания, приводящие к возможному механическому отказу системы турбина-генератор.

Ниже приведены методы противодействия РСБ:

Метод № 1 – Дополнительное управление возбуждением: обнаруживается субсинхронный ток и/или напряжение, и ток возбуждения модулируется с использованием обратной связи с высоким коэффициентом усиления для изменения выходного напряжения генератора, которое противодействует субсинхронным колебаниям.

Метод № 2 — Статические фильтры: они настроены так, чтобы соответствовать частоте энергосистемы, чтобы отфильтровать частоты режима колебаний. Обычно они подключаются последовательно с каждой фазой генератора(ов).

Метод № 3 – Динамические фильтры: аналогично методу управления возбуждением обнаруживаются подсинхронные колебания, генерируется противоэлектродвижущая сила (ЭДС), которая вводится в энергосеть через последовательный трансформатор для нейтрализации нежелательных колебаний.

Техника № 4. Шунтирование последовательных конденсаторов: для ограничения нарастания переходного момента.

Техника № 5. Для улучшения демпфирования можно использовать амортизационные обмотки на полюсных поверхностях роторов генератора.

Техника № 6. Схема пассивного противодействия ТСР предполагает использование трех различных комбинаций индуктивных и емкостных элементов на трех фазах. Комбинации будут иметь необходимую равную степень емкостной компенсации в трех фазах промышленной частоты.

На любой другой частоте три комбинации будут выглядеть как неравные реактивные сопротивления в трех фазах.

Таким образом, асинхронные колебания будут вызывать несимметричные трехфазные токи в обмотках якоря генератора. При этом создается магнитодвижущая сила (МДС) с круговой составляющей меньшей величины по сравнению с соответствующей, если бы токи были симметричными. Развиваемый взаимодействующий электромагнитный момент будет ниже.

При рассмотрении достоинств последовательных конденсаторов стоит отметить следующие моменты:

    – Последовательные конденсаторы очень эффективны, когда общее реактивное сопротивление линии велико.

    – Последовательные конденсаторы эффективны для компенсации падения и колебаний напряжения.

    – Последовательные конденсаторы не имеют большого значения, когда требования к реактивной мощности нагрузки малы.

В тех случаях, когда тепловые соображения ограничивают линейный ток, последовательные конденсаторы не имеют большого значения, поскольку связанное с ними снижение линейного тока относительно невелико.

В последних двух пунктах (3, 4), упомянутых выше, вместо последовательных конденсаторов можно рассматривать шунтирующие конденсаторы.

2. Шунтирующие конденсаторы.

Шунтирующие конденсаторы подают емкостную реактивную мощность в систему в точке их подключения, главным образом для противодействия противофазной составляющей тока, необходимой индуктивной нагрузке. Они могут находиться под напряжением постоянно или включаться и выключаться во время циклов нагрузки.

На рисунке 4 показана схема с компенсацией шунтирующего конденсатора на стороне нагрузки.

Рисунок 4 – Использование шунтирующих конденсаторов для противодействия противофазной составляющей тока

Согласно векторной диаграмме на рисунке 5, линейный ток IL представляет собой сумму тока нагрузки двигателя IM и тока конденсатора IC.

Рисунок 5 – Векторная диаграмма тока

Видно, что линейный ток уменьшается за счет добавления шунтирующего конденсатора. Угол между напряжением нагрузки и током уменьшается с φ2 до φ1. На рисунке 6 показаны соответствующие векторы напряжения. Результатом добавления шунтирующей емкости является уменьшение напряжения источника с Vs1 до Vs2.

Рисунок 6 – Вектор-диаграмма напряжения

Из вышеизложенного видно, что применение шунтирующих конденсаторов в сети с запаздывающим коэффициентом мощности имеет следующие преимущества:

    -Увеличить уровень напряжения на нагрузке

    -Улучшить регулирование напряжения (если конденсаторы правильно включаются и выключаются из сети)

    -Уменьшите потери активной мощности I2R и потери реактивной мощности I2X за счет уменьшения тока.

    -Увеличение коэффициента мощности

    -Уменьшите нагрузку в кВА (или мВА) на источники-генераторы и сеть, чтобы уменьшить перегрузку или предоставить мощность для дополнительного роста нагрузки.

    -Снижение спроса на кВА при покупке электроэнергии

    -Сократите инвестиции в системные мощности на каждый кВт подаваемой нагрузки.

Конденсаторную систему запуска можно использовать для снижения высоких пусковых токов при запуске мощных двигателей. Это помогает поддерживать уровень напряжения в системе. Высокая индуктивная составляющая пускового тока снижается за счет добавления емкости только в период пуска. В этом его отличие от применения конденсаторов для коррекции коэффициента мощности.

Обратите внимание, что при определении требуемой величины шунтирующей емкости может потребоваться некоторая дополнительная емкостная емкость в квар, превышающая ту, которая рассчитана на начальные условия без конденсаторов. Это связано с тем, что повышение напряжения увеличивает запаздывание квар в токах возбуждения трансформаторов и двигателей.

2.1 Стоит упомянуть о мерах предосторожности

Увеличение гармоник в энергосистеме и/или состояние гармонического резонанса может привести к использованию конденсаторов, особенно при использовании устройств, генерирующих гармоники, таких как тиристорные контроллеры. Если резонансная точка оказывается близкой к одной из частот, генерируемых источниками гармоник в системе, может возникнуть либо шунтирующий, либо последовательный резонанс, либо их комбинация. 

Это может привести к протеканию чрезмерных гармонических токов или гармоническим перенапряжениям, или к тому и другому, что может привести к срабатыванию защитного оборудования конденсатора (например, предохранителей), выходу из строя конденсатора, перегреву другого электрооборудования и помехам в электрической системе.

3. Шунтирующие реакторы

Компенсация шунтирующего реактора обычно требуется в условиях, противоположных тем, которые требуют компенсации шунтирующего конденсатора. Это показано на рисунке 7.

Шунтирующие реакторы могут быть установлены в следующих условиях:

-Для компенсации перенапряжений, возникающих на подстанциях, обслуживаемых длинными линиями, в периоды низкой нагрузки из-за емкости линии (эффект Ферранти при повышении напряжения).

    – Для компенсации опережающих коэффициентов мощности на электростанциях, что приводит к снижению переходных и установившихся пределов устойчивости.

    - Для снижения требований к мощности зарядки разомкнутой линии в системах сверхвысокого напряжения (СВН).

Влияние реактивного сопротивления шунта на векторную диаграмму тока показано на рисунке 8.

Рисунок 7 – Компенсация шунтирующего реактора

Рисунок 8 – Эффект шунтирующих реакторов

4. Синхронные компенсаторы

Синхронный компенсатор – это синхронный двигатель, работающий без механической нагрузки. Он может поглощать или генерировать реактивную мощность, в зависимости от уровня возбуждения. При использовании регулятора напряжения двигатель может автоматически работать с перевозбуждением при высоком токе нагрузки и с недостаточным возбуждением при токе низкой нагрузки.

Стоимость установки синхронных компенсаторов высока по сравнению с конденсаторами, а электрические потери значительны по сравнению с конденсаторами.

Синхронные конденсаторы также можно использовать в качестве устройств уменьшения провалов напряжения для поддержания напряжения во время перепадов напряжения.

Предлагаемое решение – Синхронные машины (генератор и двигатель) в двух словах

В синхронном генераторе на обмотку ротора подается постоянный ток, который создает магнитное поле ротора. Затем ротор генератора вращается с помощью первичного двигателя, создавая вращающееся магнитное поле внутри машины.   Это вращающееся магнитное поле индуцирует трехфазный набор напряжений в обмотках статора генератора.

Для описания обмоток машины обычно используются два термина: обмотки возбуждения и обмотки якоря. В общем, термин «обмотки возбуждения» применяется к обмоткам, которые создают основное магнитное поле в машине, а термин «обмотки якоря» применяется к обмоткам, в которых индуцируется основное напряжение.

В синхронных машинах обмотки возбуждения расположены на роторе, поэтому термины «обмотки ротора» и «обмотки возбуждения» используются как синонимы. Аналогичным образом, термины «обмотки статора» и «обмотки якоря» используются как взаимозаменяемые.

Ротор синхронного генератора по сути представляет собой большой электромагнит. Магнитные полюса ротора могут быть явновыраженными или неявнополюсными. Термин «выступающий» означает «выступающий». Для описания обмоток машины обычно используются два термина: обмотки возбуждения и обмотки якоря. В общем, термин «обмотки возбуждения» применяется к обмоткам, которые создают основное магнитное поле в машине, а термин «обмотки якоря» применяется к обмоткам, в которых индуцируется основное напряжение.

В синхронных машинах обмотки возбуждения расположены на роторе, поэтому термины «обмотки ротора» и «обмотки возбуждения» используются как синонимы.   Аналогично, термины «обмотки статора» и «обмотки якоря» используются как взаимозаменяемые.

Ротор синхронного генератора по сути представляет собой большой электромагнит. Магнитные полюса ротора могут быть явновыраженными или неявнополюсными. Термин «выступающий» означает «выступающий» или «выступающий», а выступающий полюс — это магнитный полюс, который выступает из поверхности ротора.

С другой стороны, неявный полюс — это магнитный полюс, расположенный заподлицо с поверхностью ротора или «выступающий наружу», а явный полюс — это магнитный полюс, который выступает из поверхности ротора.

С другой стороны, неявнополюсный полюс — это магнитный полюс, расположенный заподлицо с поверхностью ротора.

Рисунок А – Неявнополюсный двухполюсный ротор синхронной машины

Ротор с невыраженными полюсами показан на рисунке А, а ротор с явнополюсными полюсами показан на рисунке Б. Роторы с невыраженными полюсами обычно используются для двух- и четырехполюсных роторов, тогда как роторы с явнополюсными полюсами обычно используются для роторов с четыре или более полюсов.

Поскольку ротор подвергается изменяющимся магнитным полям, он состоит из тонких пластин, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.

Рисунок Б.  (a)-явный шестиполюсный ротор синхронной машины. (б)фотография выступающего восьмиполюсного синхронного ротора, на которой показаны обмотки на отдельных полюсах ротора. (д)фотография одного выступающего полюса перед ротором с еще не установленными обмотками возбуждения. (d)один явно выраженный полюс показан после установки обмотки возбуждения, но до ее установки на ротор.

В цепь возбуждения на роторе необходимо подать постоянный ток. Поскольку ротор вращается, для подачи постоянного тока на его обмотки возбуждения требуется специальное устройство.

Существует два распространенных подхода к подаче постоянного тока:

Подайте мощность постоянного тока от внешнего источника постоянного тока на ротор с помощью контактных колец и щеток.

Питание постоянного тока подается от специального источника постоянного тока, установленного непосредственно на валу синхронного генератора.

Контактные кольца — это металлические кольца, полностью окружающие вал машины, но изолированные от него. Один конец обмотки ротора постоянного тока привязан к каждому из двух контактных колец на валу синхронной машины. и неподвижная щетка перемещается по каждому контактному кольцу. «Щетка» — это блок графитоподобного углеродного соединения, который не проводит электричество, но имеет очень низкое трение. чтобы не изнашивалось контактное кольцо.

Если положительный конец источника напряжения постоянного тока подключен к одной щетке, а отрицательный конец подключен к другой, то к обмотке возбуждения всегда будет прикладываться одно и то же напряжение постоянного тока, независимо от углового положения или скорости ротора.

Контактные кольца и щетки создают некоторые проблемы, когда они используются для подачи постоянного тока на обмотки возбуждения синхронной машины. Они увеличивают объем технического обслуживания машины, поскольку щетки необходимо регулярно проверять на предмет износа.

Рисунок С – Схема бесщеточного возбудителя. Небольшой трехфазный ток выпрямляется и используется для питания цепи возбуждения возбудителя. который расположен на статоре. Выходной сигнал цепи якоря возбудителя (на роторе) затем выпрямляется и используется для подачи тока возбуждения главной машины.

Кроме того, падение напряжения на щетках может быть причиной значительных потерь мощности в машинах с большими токами возбуждения. Несмотря на эти проблемы, контактные кольца и щетки используются во всех небольших синхронных машинах, поскольку ни один другой метод подачи постоянного тока возбуждения не является экономически эффективным.

В более крупных генераторах и двигателях для подачи постоянного тока возбуждения на машину используются бесщеточные возбудители. Бесщеточный возбудитель представляет собой небольшой генератор переменного тока, цепь возбуждения которого установлена ​​на статоре, а цепь якоря – на валу ротора.    Трехфазный выходной сигнал возбудителя-генератора выпрямляется в постоянный ток с помощью трехфазной схемы выпрямителя, также установленной на валу генератора, и затем подается в основную цепь возбуждения постоянного тока.

Рисунок Д – Фотография ротора синхронной машины с бесщеточным возбудителем, установленным на том же валу. Обратите внимание на выпрямляющую электронику, видимую рядом с якорем возбудителя.

Управляя небольшим постоянным током возбуждения генератора возбудителя (расположенного на статоре), можно регулировать ток возбуждения на главной машине без контактных колец и щеток. Такое устройство схематически показано на рисунке 3, а ротор синхронной машины с бесщеточным возбудителем, установленным на том же валу, показан на рисунке 4 выше.

Поскольку между ротором и статором никогда не возникает механического контакта, бесщеточный возбудитель требует гораздо меньшего обслуживания, чем контактные кольца и щетки.

Чтобы сделать возбуждение генератора полностью независимым от каких-либо внешних источников питания, в систему часто включают небольшой пилотный возбудитель. Пилотный возбудитель представляет собой небольшой генератор переменного тока с постоянными магнитами, установленными на валу ротора, и трехфазной обмоткой на статоре. Он вырабатывает мощность для цепи возбуждения возбудителя, который, в свою очередь, управляет цепью возбуждения главной машины.

5. Статические компенсаторы реактивной мощности.

Статические компенсаторы реактивной мощности (SVC) содержат шунтирующие конденсаторы и реакторы, управляемые тиристорами. Они обеспечивают решения двух типов проблем компенсации, обычно встречающихся в практических энергосистемах:

Первый — это компенсация нагрузки, при которой обычно требуется снизить потребность в реактивной мощности крупных и нестабильных промышленных нагрузок, а также сбалансировать реальную мощность, потребляемую из линий электроснабжения.

Второй вид компенсации связан с поддержкой напряжения линий электропередачи в определенной точке в ответ на возмущения как нагрузки, так и генерации. Основными задачами динамической компенсации реактивной мощности являются повышение предела устойчивости энергосистемы, уменьшение колебаний напряжения при изменениях нагрузки и ограничение перенапряжений из-за больших помех.

Двумя основными конфигурациями устройств реактивной мощности с тиристорным управлением являются:

5.1 Шунтирующие конденсаторы с тиристорным управлением

Батарея конденсаторов разделена на небольшие ступени конденсаторов, и эти ступени включаются и выключаются индивидуально. Он предлагает пошаговое управление, практически полное отсутствие переходных процессов и очень низкую генерацию гармоник. Средняя задержка выполнения команды регулятора составляет полпериода.

На рисунке 9 показано такое расположение.

Рисунок 9 – Шунтирующие конденсаторы с тиристорным управлением

5.2 Шунтирующие реакторы с тиристорным управлением

Составляющая тока основной частоты через реактор контролируется путем задержки закрытия тиристорного ключа относительно естественного перехода тока через ноль. Рисунок 10 иллюстрирует эту концепцию.

Гармонические токи генерируются реактором с регулируемым фазовым углом.      Существует два метода уменьшения величины генерируемых гармоник. Первый метод состоит в разделении реактора на более мелкие ступени, при этом только одна ступень управляется тиристором, в то время как другие ступени реактора либо включены, либо выключены.

Второй метод предполагает 12-пульсную схему, в которой используются два одинаково соединенных тиристорных реактора, один из которых работает от вторичной обмотки, соединенной звездой, а другой – от обмотки повышающего трансформатора, соединенной по схеме треугольник.

Реакторы с тиристорным управлением характеризуются непрерывным управлением и имеют задержку на выполнение команды регулятора максимум в один полупериод.

Рисунок 10 – Шунтирующие реакторы с тиристорным управлением

Во многих практических приложениях используется комбинация этих двух устройств с тиристорным управлением, при этом SVG состоит из нескольких ступеней емкостного управления с тиристорным управлением и одного или двух реакторов с тиристорным управлением, как показано на рисунке 4.9 (c).

Рисунок 11 – Комбинация этих двух устройств с тиристорным управлением

Важно отметить, что применение статических компенсаторов реактивной мощности к линиям электропередачи переменного тока с последовательной компенсацией приводит к появлению трех различных резонансных режимов:

Резонанс шунтовой емкости: включает обмен энергией между шунтирующей емкостью (заряд линии плюс любая коррекция коэффициента мощности и SVC) и последовательной индуктивностью линий и генератора.

Последовательно-линейный резонанс: включает обмен энергией между последовательным конденсатором и последовательной индуктивностью линий, трансформаторов и генераторов.

Резонанс шунтирующего реактора: включает обмен энергией между шунтирующими реакторами на промежуточных подстанциях линии и последовательными конденсаторами.

В связи с вышеизложенным крайне важно представлять любые компенсаторы в программах моделирования переходных электрических процессов.

6. Применение шунтирующих конденсаторов в распределительных сетях.

Шунтирующие конденсаторы используются в системах распределения электроэнергии чаще, чем любые другие устройства электрической компенсации. Они используются в основном для регулирования напряжения и коррекции коэффициента мощности; следовательно, эти два конкретных применения будут кратко обсуждены.

6.1 Регулирование напряжения

Падение напряжения можно уменьшить применением шунтирующего конденсатора. Правильно выбранный и расположенный шунтирующий конденсатор гарантирует, что напряжение на нагрузке будет в пределах допустимого предела в условиях большой нагрузки.

Однако при небольшой нагрузке тот же конденсатор увеличит напряжение выше допустимого предела, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12 – Влияние конденсатора на напряжение

Чтобы избежать этого, используйте переключаемые батареи конденсаторов. Конденсаторы включаются при большой нагрузке и отключаются при небольшой нагрузке. При включении конденсатора(ов) емкостной ток добавляется к индуктивному току, уменьшая общий ток, падение напряжения и электрические потери.

Последнее связано со снижением реактивной мощности в системе (см. следующий параграф).

Оптимальное количество, размер и расположение батарей конденсаторов на фидере определяются путем детального компьютерного анализа, а также с учетом минимизации эксплуатационных, монтажных и инвестиционных затрат. Наиболее важными факторами, влияющими на выбор, являются уровни напряжения, общая нагрузка, коэффициент распределения и коэффициент мощности нагрузок.

6.2 Коррекция коэффициента мощности

6.2.1 Мощность и коэффициент мощности

Мощность в трехфазной распределительной системе состоит из двух компонентов, а именно активной или активной мощности (P) и реактивной мощности (Q). Комплексная сумма этих двух значений дает полную мощность (S). Следовательно, S = P + jQ.

Это иллюстрируется хорошо известным треугольником власти на рисунке 13.

Рисунок 13 – Треугольник мощности

ХL – индуктивное сопротивление
ХС – емкостное сопротивление
Z=Импеданс=R+j(XL+XC)
R- сопротивление
I – ток
V- напряжение
S- фактическая мощность
Q – реактивная мощность
P – активная мощность

Полная мощность (S) в трехфазной системе рассчитывается по формуле S = √3VI. Это выражается в ВА, кВА или МВА и является единицей измерения номинальных характеристик трансформаторов. Силовые кабели и трансформаторы добавляют реактивное сопротивление к электрической сети, которое в основном является индуктивным (также добавляется меньшая емкость).

Индуктивные и емкостные реактивные сопротивления зависят от частоты (следовательно, присутствуют только в системах переменного тока), противоположны друг другу и расположены под прямым углом к ​​чистому (постоянному) сопротивлению. Чистое реактивное сопротивление, которое обычно является индуктивным, противодействует протеканию тока, а мощность, необходимая для преодоления этого реактивного сопротивления, называется реактивной мощностью (Q). Это напрасная трата энергии, которая не приносит пользы пользователю.

Реактивная мощность рассчитывается по формуле Q = √3Visin φ и выражается в ВАр, кВАр или МВАр.

Коррекция коэффициента мощности 

Наличие реактивного сопротивления в сети приводит к тому, что векторы напряжения и тока на нагрузке смещаются по фазе на фазовый угол φ. (Вектор напряжения принимается за опорный, а вектор тока затем определяется как «запаздывающий» по отношению к чередованию фаз против часовой стрелки).

Косинус фазового угла (cos φ) известен как коэффициент мощности.

Чем длиннее кабели и чем больше трансформаторов в распределительной сети, тем больше индуктивного реактивного сопротивления присутствует в сети, тем больше фазовый угол (меньше коэффициент мощности) и тем выше потери. Добавление емкости к индуктивной сети позволит уменьшить фазовый угол (φ), улучшить коэффициент мощности (cos φ) и привести к более эффективной распределительной сети.

Это известно как коррекция коэффициента мощности.

Когда в сети присутствует больше емкостного, чем индуктивного реактивного сопротивления, может возникнуть опережающий фазовый угол, при этом вектор тока опережает вектор напряжения. Ведущий фазовый угол будет иметь вредное воздействие на работу асинхронных двигателей, и его следует избегать.

Активная мощность — это электрическая мощность, которую можно использовать с пользой, и выражается в Вт, кВт или МВт. Это единица измерения, в которой оцениваются электродвигатели, освещение, обогреватели и т. д.

Активная мощность выражается формулой P = √3 × V × I × PF(нагрузка), где PF = cos φ. 

6.2.2 Причины и последствия

Любое оборудование с индуктивными свойствами ухудшает коэффициент мощности, поскольку реактивная мощность используется для преодоления индуктивного реактивного сопротивления. Следовательно, асинхронные двигатели, трансформаторы и кабели будут способствовать увеличению φ. Кроме того, приводы с регулируемой скоростью, использующие «прерывание» формы сигнала, помимо добавления гармоник в систему, также ухудшают коэффициент мощности из-за искажения формы сигнала тока.

Эффект низкого коэффициента мощности на нагрузке заключается в том, что для достижения той же выходной мощности требуется больший ток, как видно из формул мощности.

Ниже приведен пример влияния коэффициента малой мощности: 

    Требуемая активная мощность: 200 кВт
    Рабочее напряжение: 415 В

Случай 1:

    PF = 0,85
    I = 200 000 / (1,732 × 415 × 0,85) = 327 А

Случай 2:

    PF = 0,55
    I = 200 000 / (1,732 × 415 × 0,55) = 506 А

Из приведенного примера видно, что коэффициент мощности оказывает существенное влияние на величину тока, протекающего в сети.

Устойчивый коэффициент низкой мощности может иметь следующие последствия:

    – перегрев оборудования из-за протекания избыточного тока.
    – оборудование переоценено для компенсации более высоких токов из-за низкого коэффициента мощности.
    – более высокое потребление электроэнергии при измерении в ВА
    – требуются дополнительные инвестиции в системные мощности для получения необходимой мощности.
    – меньший уровень напряжения на нагрузке (см. раздел 4.7)
    – увеличение потерь мощности (резистивной и реактивной) во всей системе из-за протекания более высоких токов. 

6.2.3 Пример тарификации

Электроэнергетические компании многих стран ввели штрафы для потребителей с низким коэффициентом мощности. Некоторые страны перешли с тарифа на кВт на тариф на кВА для максимального спроса. Коэффициент малой мощности будет иметь прямое влияние на общее количество кВА, которое компания будет использовать для получения определенного количества активной мощности в кВт (кВА = кВт + jkVAr [комплексные значения]).

Чем ниже коэффициент мощности, тем больше потребляется реактивной мощности.

Таким образом, коэффициент низкой мощности приведет к неэффективному использованию энергии и чрезмерным счетам за электроэнергию. Некоторые коммунальные предприятия наказывают потребителей, если их PF ниже 0,96, а другие — если ниже 0,80. Затем клиенту выставляется счет за максимальную потребность в кВА, а не за максимальную потребность в кВт. 

Давайте посмотрим на пример:

Для упрощения расчета и наглядности мы принимаем средние значения. Среднемесячная максимальная потребность завода составляет 100 МВт при коэффициенте мощности 0,65. Треугольник сил для этой ситуации показан на рисунке 14 (а).

Для коэффициента мощности 0,65 и активной мощности (P) 100 МВт полная мощность (S) составляет 153,846 МВА, а реактивная мощность (Q) составляет 116 913 МВАР (поскольку мы знаем, что P=S×cosφ; Q=S×sinφ ).

Как можно заметить, реактивная мощность в сети имеет большее значение, чем реальная мощность!

Рисунок 14 – пример треугольника мощности.

Ссылаясь на рисунок 14 (b), для увеличения коэффициента мощности до 0,8 потребуется 41 913 квар. Таким образом, с завода будет взиматься плата в размере 0,3757 × 30 × 41 913 = 472 401,42 доллара за месячный период, чего можно избежать, увеличив коэффициент мощности до 0,8! Этого должно быть более чем достаточно для установки оборудования коррекции коэффициента мощности (PFC).

В очень грубом приближении капитальные вложения в оборудование ККМ можно принять в размере 250 долларов США/квар на 11 кВ. Следовательно, добавление емкостной мощности −42 МВАР будет означать капитальные вложения в размере 10,5 миллионов долларов США, которые окупятся примерно за 22 месяца.

Утверждение коэффициента мощности также имеет дополнительные преимущества, такие как снижение активных и реактивных потерь из-за уменьшения величины протекающих токов. 

7. Внимание: влияние шунтирующих конденсаторов на асинхронные двигатели.

Конденсаторы, установленные рядом с асинхронными двигателями, могут иметь следующие последствия:

    – увеличение нежелательных переходных крутящих моментов на роторе.
    – самовозбуждение и емкостное торможение. 

7.1 Переходные процессы крутящего момента

Кратковременное прерывание напряжения может вызвать резкие пики крутящего момента в роторе асинхронного двигателя. В худшем случае он может более чем в 20 раз превышать крутящий момент полной нагрузки и в направлении, противоположном вращению ротора. В условиях нагрузки этот «обратный крутящий момент» может легко привести к серьезному механическому повреждению вала ротора.

Наличие емкости в системе, особенно конденсаторов коррекции коэффициента мощности непосредственно на клеммах двигателя, существенно ухудшит состояние. 

7.2 Объяснение «обратного крутящего момента»

Когда работающий двигатель отключается от источника питания, захваченный или «замороженный» магнитный поток разносится по ротору. Этот поток затухает, но вызывает вращательную электродвижущую силу (ЭДС) в обмотках статора. Когда источник питания возвращается, когда ротор все еще вращается, наведенная ЭДС статора может иметь противофазу напряжению питания в момент повторного включения.

Это вызовет сильные переходные токи и крутящий момент, в зависимости от величины все еще присутствующей наведенной ЭДС статора и степени противофазы. Развиваемый таким образом переходный крутящий момент может иметь отрицательный (замедляющий) пик.

Величина и направление первого пика крутящего момента тесно зависят от скорости ротора и продолжительности прерывания, а также от фазового угла между наведенной ЭДС и повторно приложенным напряжением. В худшем случае первый пик может достигать 15-кратного значения крутящего момента при полной нагрузке (без учета емкости). Когда конденсаторы подключены к клеммам статора, например. коррекции коэффициента мощности, возникают более серьезные переходные эффекты.

Конденсаторы имеют тенденцию сохранять поток промежутка при прерывании питания, и в статоре может возникнуть перенапряжение, несмотря на падение скорости ротора. При повторном включении питания с противофазой индуцированной ЭДС статора возникают очень сильные переходные процессы тока и крутящего момента. Результирующий первый пик переходного крутящего момента может в 20 раз превышать крутящий момент при полной нагрузке.

Обычно управляющее напряжение главного контактора, питающего асинхронный двигатель, преобразуется непосредственно из основного напряжения питания. Конденсаторы, подключенные к клеммам статора, будут стремиться поддерживать высокий уровень напряжения во время прерывания питания, что, в свою очередь, будет поддерживать напряжение на катушке контактора, предотвращая его размыкание.

Следовательно, когда напряжение питания возвращается через короткий промежуток времени, оно подается непосредственно на статор, возможно, противодействуя уже там наведенной ЭДС. Чтобы предотвратить ухудшение переходных процессов крутящего момента во время перебоев напряжения подключенными шунтирующими конденсаторами, конденсатор(ы) можно автоматически отключать во время серьезного перебоя напряжения.

Ниже приведена графическая иллюстрация возникновения переходного крутящего момента (рис. 15): 

Рисунок 15 – График возникновения переходного крутящего момента

Переходный крутящий момент

7.3 Самовозбуждение и емкостное торможение

Благодаря реактивной мощности намагничивания, обеспечиваемой батареей конденсаторов, при условии, что ротор имеет достаточное остаточное поле, асинхронный двигатель может самовозбуждаться при потере питания статора. В результате двигатель работает как асинхронный генератор, и могут возникать перенапряжения статора. Емкость конденсаторов коррекции коэффициента мощности, возможно, придется ограничить, чтобы предотвратить самовозбуждение.

Самовозбуждение может быть целенаправленно использовано в контролируемых условиях для торможения. При отключении статора от источника питания и последующем его подключении к конденсаторной батарее напряжения статора самовозбуждаются, создавая поле бегущей волны, и для генерирующего режима «синхронная» скорость поля должна быть ниже, чем скорость вращения ротора.

Мощность привода черпается из энергии инерции, поэтому скорость быстро падает.

Однако для высокоинерционных нагрузок, которые остаются механически связанными с валом ротора, принудительное торможение может быть нежелательным и даже может привести к повреждению вала ротора.