2. Потребители реактивной мощности

2.1. Общая характеристика потребителей реактивной мощности

Реактивную мощность потребляют следующие электроприемники: асинхронные двигатели - 40%; силовые трансформаторы всех ступеней трансформации (от трех до пяти) от генераторов электростанций до потребителей электроэнергии (реактивные потери в трансформаторах) - 35%; вентильные преобразователи - 10%; электротермические установки - 8%; линии электропередачи (реактивные потери в них) — 7%.

В общем случае величина потребляемой РМ катушкой индуктивности (обмоткой), имеющей магнитную систему (асинхронные двигатели, трансформаторы и др.), определяется соотношениями:

где UФ и UЛ - фазное и линейное, напряжения сети; ХФ - индуктивное сопротивление потребителя РМ; С1 = 1/( 2πW ) - коэффициент пропорциональности; W- число витков обмотки, создающей магнитный поток ФМ; f - линейная частота напряжения сети; Rμ — магнитное

сопротивление пути магнитного потока; l и S - длина и сечение пути магнитного потока; μ- магнитная проницаемость материала пути магнитного потока; C2 = 3π - коэффициент пропорциональности.

Из выражения (2.1) видно, что потребление РМ возрастает при увеличении напряжения питания U1 и магнитного сопротивления RM пути магнитного потока. Согласно (2.1) РМ пропорциональна квадрату приложенного напряжения. Однако с повышением напряжения возрастает и магнитный поток ФМ. Это приводит к насыщению магнитной системы и уменьшения магнитной проницаемости μ. Поэтому с увеличением питающего напряжения РМ

возрастает более чем во второй степени. Кроме того, если магнитная цепь, по которой проходит магнитный поток, содержит воздушный зазор, то потребляемая РМ также резко возрастает, так как магнитная проницаемость воздуха значительно меньше, чем для электротехнической стали.

2.2. Асинхронные электродвигатели

Наибольшее распространение во всех отраслях промышленности нашли асинхронные двигатели (АД). АД потребляет из сети значительное количество РМ. Основной причиной большого потребления РМ является наличие у АД воздушного зазора между статором и ротором. Вообще стремятся уменьшить величину воздушного зазора, но это приводит к увеличению стоимости АД, т.к. увеличивается магнитное притяжение и, следовательно, увеличиваются размеры вала и станины, хуже охлаждение, возрастают требования к центровке, вибрациям, подшипникам и т.д.

При увеличении напряжения сверх номинального потребляемая АД реактивная мощность возрастает более чем во второй степени. Изменение потребляемой РМ при изменении

напряжения питания АД на единицу принято характеризовать частной производной q = ∂∂UQ . На рис. 2.1 приведены усредненные статические характеристики АД - зависимости относительной

различных коэффициентах загрузки β. При номинальном напряжении питания и номинальной

загрузке величина q = 2...3; меньшие значения q соответствует крупным двигателях, большие - маломощным.

12

Для количественной оценки потребляемой РМ рассмотрим схему замещения АД (рис.2.2,а), для которой можно записать следующее соотношение:

QА. Д. = 3 I12 X1 + I02 X0 +(I2′)2 X 2′ ≈ 3 I02 (X0 + X1 )+(I2′)2 (X1 + X 2′) = Q0 +QP = Q0 +β2QP.H . ,

где I1, I0, I'2 - соответственно первичный ток, ток холостого хода и приведенный вторичный; X1, X'2, X0 - индуктивные сопротивления соответственно цепей первичной, вторичной обмоток АД

ихолостого хода; Q0, QP, QP.H. - реактивные мощности холостого хода и рассеяния при текущем

иноминальном значениях нагрузки; на рис. 2.2, а буквой S обозначено скольжение АД.

Реактивная мощность Q0 для АД при номинальном напряжении практически неизменна, а мощность QP растет пропорционально квадрату коэффициента загрузки β (рис.2.2, б). При

номинальной нагрузке обычно Q0 ≈ QP . Поэтому при изменении активной нагрузки АД от нуля до номинальной Рн реактивная мощность двигателя QАД увеличивается примерно в два раза.

Рис.2.2

Коэффициент мощности tgφ АД (потребляемая РМ) изменяется в широких пределах в зависимости от номинальной мощности и частоты вращения ротора АД, коэффициента его загрузки и, как было отмечено выше, напряжения сети, к которой он подключен.

На рис.2.3.а и б представлены соответственно зависимости потребляемой РМ Q и величины tgφ при глубоком изменении напряжения питания U и различных коэффициентах загрузки β

АД, а на рис.2.3, в и г - зависимости величины tgφ от напряжения U при различных значениях

13

β для двух АД с одинаковой частотой вращения ротора, но с различными номинальными активными мощностями.

Анализ характеристик позволяет сделать следующие выводы.

Относительная величина потребляемой АД реактивной мощности увеличивается:

•при уменьшении номинальной мощности АД;

•при уменьшении коэффициента его загрузки β;

•при увеличении напряжения питания.

Особенно резкое увеличение tgφ наблюдается при увеличении напряжения питания у слабозагруженных двигателей. Например, при увеличении напряжения на 10% по отношения к номинальному для двигателя с Рн = 1 кВт и β = 0,5 (рис.2.3, в) величина tg φ возрастает на 43%,

а потребление реактивной мощности достигает 3 квар на 1 кВт активной мощности. Увеличение загрузки для этого АД с β= 0,5 до 0,75 позволяет снизить коэффициент tgφ на 28%.

Исследования показывают, что оптимальная величина загрузки АД находится в пределах

0,7...0,9.

В целях уменьшения потребления реактивной мощности АД применяют следующие мероприятия:

14

1.Выбирают АД с максимально возможной (по условиям работы привода) частотой вращения и с наименьшим воздушным зазором.

2.Выбирают АД без лишних запасов по мощности, т.к. недогруженные АД работают с высоким коэффициентом tgφ.

3.Переключают обмотку статора АД с треугольника на звезду при длительном снижении нагрузки ниже 40...50 % для уменьшения величины Q0 двигателя за счет снижения

фазного напряжения в 3 раз.

2.3. Трансформаторы

Реактивная мощность, потребляемая силовыми трехфазными трансформаторами, расходуется на намагничивание магнитопровода и на создание полей рассеяния. Трансформаторы собирают так, чтобы зазоры между пластинами магнитопровода были минимальными, что обусловливает небольшое магнитное сопротивление Rμ (см. выражение

2.1) их магнитной системы. В результате этого относительное потребление РМ силовыми трансформаторами значительно меньше. РМ, потребляемой АД (примерно на порядок при той же номинальной мощности). Потери (потребление) РМ в силовом трансформаторе можно записать так:

У современных силовых трансформаторов потери РМ на намагничивание находятся в диапазоне 1...2 % SТ.Н., а на создание полей рассеяния - около 2 % SТ.Н. (принято КЗ = 0,65...0,7, а напряжение короткого замыкания UK = 5,5 %), т.е. в сумме получается, что потери QT =3...4 %

SТ.Н.. В силовых трансформаторах старых конструкций потери QT достигают 6…8 % ST.H.. Так

как число трансформаций напряжения при передаче электроэнергии от генераторов энергосистемы до потребителей составляет 3 - 5, суммарное потребление РМ силовыми трансформаторами в целом велико - 30...35 % всей потребляемой РМ.

Как было отмечено выше, существенную роль в балансе РМ, потребляемой силовыми трансформаторами, играют потери холостого хода, составляющие 50…60% полных потерь РМ нагруженных трансформаторов. Отсюда следует, что обеспечение рационального режима работы трансформаторов является важным направлением снижения потребления РМ и уменьшения потерь активной мощности. При малой загрузке трансформаторов (коэффициент загрузки КЗ ≤ 0,3) целесообразна их замена на менее мощные. При К3 > 0,3 требуется обоснование замены путем подсчета приведенных потерь активной мощности. Анализ характеристик силовых трансформаторов показывает, что повышение коэффициента их загрузки КЗ до 0,6 приводят к заметному снижению tgφ, а при дальнейшем повышении коэффициента КЗ коэффициент tgφ меняется незначительно. Для уменьшения потерь РМ в трансформаторах рекомендуется отключать в резерв трансформаторы, загруженные менее 40 % их номинальной мощности, с переводом нагрузки на другие трансформаторы.

2.4. Электротехнологические установки

Наиболее распространенными электротехнологическими установками промышленных предприятий для выплавки черных и цветных металлов и для электрокрекинга нефти являются дуговые установки.

Потребление РМ печи дугового типа (рис.2.4.а.) обусловлено необходимостью достаточно большого угла сдвига φ по фазе между напряжением и током в цепи электрической дуги. Если

15

бы угол φ = 0, то за один период переменного тока в моменты прохождения синусоиды напряжения через нуль электрическая дуга прерывалась бы и загоралась вновь дважды (рис.2,4,б). Это сопровождалось бы резким уменьшением температуры в межэлектродном пространстве и снижением производительности печи, качества металла. Для получения непрерывного горения дуги последовательно с электропечным трансформатором ЭПТ включается индуктивность L (рис. 2.4,а). При этом горение дуги в момент прохождения напряжения через нуль поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности (рис,2.4,в). Индуктивность подбирается так, чтобы обеспечивался достаточный для непрерывного горения дуги угол сдвига φ между напряжением и током, т.е. чтобы при прохождении тока через нуль выполнялось условие

где Ug - напряжение горения дуги.

Непрерывное горение дуги переменного тока получается при угле φ > 30....350, т.е. при cosφ > 0,55...0,7. РМ в дуговой печи необходима не только для непрерывного горения дуги, но и для покрытия потерь в печном трансформаторе и в короткой сети, также обладающих своими индуктивностями. По мере роста объема печи и мощности электропечных трансформаторов SТ.Н. приходится увеличивать индуктивность, что приводит к повышении tgφ дуговой печи в целом.

На рис 2.4,г приведена зависимость потребляемой РМ электропечной установкой от мощности ST печного трансформатора, а на рис.2.4, д— зависимость величины коэффициента tgφ от токовой нагрузки I при различных величинах вторичного напряжения U2, подводимого к электродам печи.

Характеристики электросварочных установок как потребителей РМ подобны характеристикам дуговых электропечных установок. Сварочные установки преимущественно однофазные, с резкопеременной нагрузкой и очень высоким коэффициентом реактивной мощности: tg φ установок дуговой сварки 2,5...3.0, а контактной сварки 1,5...5,0. В тех случаях, когда мощные сварочные установки создают недопустимые колебания и несимметрию напряжения в питаюшей сети, применяется сварка на постоянном токе. Современные источники питания сварочных установок постоянного тока - тиристорные преобразователи, которые также потребляют РМ. Их реактивная нагрузка более стабильна, но следует учитывать, что сами преобразователи являются источниками высших гармоник.

Индукционный метод нагрева основан на использования сильных магнитных полей для расплавления металлов индуцированными токами. Для создания сильных магнитных полей необходим большой расход РМ. Индукционные печи преимущественно однофазные, мощностью 250.... 6000 кВт - для плавки цветных металлов и до 17000 кВт - сталеплавильные. Напряжение питания - 380, 6000 и 10000 В. Коэффициент реактивной мощности индукционных печей очень высок: от 2 до 10. Поэтому для компенсации потребляемой ими РМ и понижения tgφ до 0...0,5 устанавливаются индивидуальные конденсаторные батареи, мощность которых может превышать активную мощность индукционной установки иногда в 10 раз.

16

17