Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока
Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных двигателей, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток необходим для создания вращающегося магнитного поля у электрических машин и переменного магнитного потока трансформаторов.
Активная мощность таких потребителей при заданных значениях тока и напряжения зависит от cos φ:
P = UICosφ , I = P / UCosφ
Снижение коэффициента мощности приводит к увеличению тока.
Косинус фи особенно сильно снижается при работе двигателей и трансформаторов вхолостую или при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей используется не полностью. С уменьшением cos φ значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов и катушек электрических аппаратов.
Например, если активная мощность остается постоянной, обеспечивается током 100 А при cos φ =1, то при понижении cos φ до 0,8 и той же мощности сила тока в сети возрастает в 1,25 раза ( I а = I сети х cos φ , I с = I а / cos φ ).
Потери на нагрев проводов сети и обмоток генератора (трансформатора) Pнагр = I 2 сети х Rсети пропорциональны квадрату тока, то есть они возрастают в 1,25 2 = 1,56 раза.
При cos φ = 0,5 сила тока в сети при той же активной мощности равна 100 / 0,5 = 200 А, а потери в сети возрастают в 4 раза (!). Возрастают потери напряжения в сети, что нарушает нормальную работу других потребителей.
Счетчик потребителя во всех случаях отсчитывает одно и то же количество потребляемой активной энергии в единицу времени, но в последнем случае генератор подает в сеть силу тока, в 2 раза большую, чем в первом. Нагрузка же генератора (тепловой режим) определяется не активной мощностью потребителей, а полной мощностью в киловольт-амперах, то есть произведением напряжения на силу тока, протекающего по обмоткам.
Если обозначить сопротивление проводов линии R л, то потери мощности в ней можно определить так:
Таким образом, чем выше потребителя, тем меньше потери мощности в линии и дешевле передача электроэнергии.
Коэффициент мощности показывает, как используется номинальная мощность источника. Так, для питания приемника 1000 кВт при φ = 0,5 мощность генератора должна быть S = P / cos φ = 1000 / 0 ,5 = 2000 кВА, а при cosφ = 1 S = 1000 кВА.
Следовательно, повышение коэффициента мощности увеличивает степень использования мощности генераторов.
Для повышения коэффициента мощности (cos φ ) электрических установок применяют компенсацию реактивной мощности .
Увеличения коэффициента мощности (уменьшения угла φ — сдвига фаз тока и напряжения) можно добиться следующими способами:
1) заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности,
2) понижением напряжения
3) выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу,
4) включением в сеть специальных компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.
На мощных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы — синхронные перевозбужденные электродвигатели.
Чтобы повысить экономичность энергетических установок наиболее часто используют батареи конденсаторов , подключаемые параллельно индуктивной нагрузке (рис. 2 а).
Рис. 2 Включение конденсаторов для компенсации реактивной мощности: а — схема, б, в — векторные диаграммы
Для компенсации cos φ в электрических установках до нескольких сотен кВА применяют косинусные конденсаторы. Их выпускают на напряжение от 0,22 до 10 кВ.
Емкость конденсатора, необходимую для повышения cosφ от существующего значения cosφ 1 до требуемого cosφ 2 , можно определить по диаграмме (рис. 2 б, в).
При построении векторной диаграммы в качестве исходного вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный характер, то вектор тока I 1 отстает от вектора напряжения на угол φ 1 I а совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока I р отстает от него на 90° (рис. 2 б).
После подключения к потребителю батареи конденсаторов ток I определяется как геометрическая сумма векторов I 1 и I c . При этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 2, в). Из векторной диаграммы видно, что φ 2 1 , т.е. после включения конденсатора коэффициент мощности повышается от cos φ1 до cos φ2
Емкость конденсатора можно рассчитать при помощи векторной диаграммы токов (рис. 2 в) Ic = I р1 — I р = I а tg φ1 — I а tg φ 2 = ωCU
Учитывая, что P = UI а , запишем емкость конденсатора С = (I а / ωU ) х ( tg φ1 — tg φ 2 ) = (P / ωU 2 ) х ( tg φ1 — tg φ2 ) .
На практике обычно коэффициент мощности повышают не до 1,0, а до 0,90 — 0,95, так как полная компенсация требует дополнительной установки конденсаторов, что часто экономически не оправдано.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
ВВЕДЕНИЕ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Экономическое, политическое и военно-промышленное развитие стран неразрывно связано с наличием или отсутствием в необходимых количествах энергоносителей. Это делает разработку новых методов энергосбережения наиважнейшей задачей, от которой зависит не только обороноспособность, но и будущее этих стран.
Рост цен на энергоносители и многочисленные экологические катастрофы, связанные с добычей, транспортировкой и их переработкой, выводит энергосбережение в число особо важных направлений, от которых зависит не только финансовое благополучие стран и конкретных предприятий, от этого зависит среда обитания человека и его способность воспроизводить себе подобных в ближайшие два десятилетия.
Технологическое отставание российской промышленности и отсутствие экономических стимулов для ее развития, привело к тому, что для производства аналогичной продукции мы затрачиваем в 3 — 4 раза больше электроэнергии, чем в промышленно развитых странах. В связи с чем, кроме отмеченных выше проблем, прибавляется еще и неконкурентоспособность наших товаров и услуг.
Особо прискорбным фактом является то, что многочисленные статьи, книги, выставки и выступления специалистов в области энергосбережения, связывают энергосберегающие технологии исключительно с учетом потребления электроэнергии и призывами экономить. Не удалось найти ни одной серьезной научной работы в этой области.
Неужели у многочисленных научно-исследовательских институтов, академии наук, министерств и ведомств, отвечающих за развитие промышленности, есть более серьезные задачи? До сих пор, не обозначено даже направления работ.
Восполнить существующий «вакуум» информации и идей в этой области позволит приведенные ниже аналитические и практические предложения специалистов предприятия «КОПЭН».
ОПРЕДЕЛИМ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Для этого проанализируем структурную схему производства и потребления электроэнергии и качественно оценим весовую значимость каждого звена.
1. Электростанция, на вход которой поступает энергоноситель. Около 75 % всей электроэнергии вырабатывается тепловыми электростанциями ТЭС и теплоэлектроцентралями ТЭЦ.
КПД турбины тепловой электростанции, вырабатывающей электроэнергию около 21 %. Суммарный КПД ТЭЦ оценивают от 50 % до 60 %, за счет учета полезного использования горячей воды и пара.
Не будем в рамках данного материала рассматривать эффективность такого обогрева городов даже в средней полосе, не говоря о городах на севере. Это отдельная тема. Потери мы все наблюдаем по незамерзающим даже в мороз участкам земли. Трубы с горячей водой, протяженностью десятки километров обогревают окружающую среду.
Отметим, что реальный КПД ТЭЦ, по этой причине, ниже заявляемого значения. В электроэнергию, а мы рассматриваем имеено производство, передачу и потребление электроэнергии, тепловая турбина полезно преобразует всего 21 % энергоносителя.
5 . Привод: от 60 % до 70 % всей производимой электроэнергии потребляется асинхронными трехфазными электродвигателями (АД). Остановимся на них чуть подробнее.
Теоретически и по паспорту, в номинальном режиме работы асинхронные двигатели имеют высокий коэффициент эффективности, КПД = 80 % — 95 %. Такой режим работы действительно можно искусственно создать в лабораторных условиях. В реальных условиях эксплуатации, практически, ни один АД не работает в номинальном режиме.
Во-первых, потому, что у АД неудовлетворительная (скверная) механическая характеристика (зависимость частоты вращения вала двигателя и момента): пусковой момент мал, а 95 % скоростного диапазона характеристики является неустойчивой. По этой причине, частота вращения вала асинхронного электродвигателя не регулируется параметрически (по одному параметру — напряжению или току), а 99 % всех технологических операций требуют регулирования.
Во-вторых, малый пусковой момент, приводит к тому, что конструкторы и специалисты по эксплуатации электрооборудования вынуждены завышать установленную мощность АД в 1,5 — 2 раза, а в случае тяжелого пуска в 3 — 4 раза. Это приводит к снижению надежности и к существенным потерям электроэнергии. После пуска оборудования, как правило, происходит падение нагрузки, и двигатель попадает в область низких КПД.
В-третьих, достаточно нескольких пусков и остановок в час, работы со знакопеременными нагрузками, реверсированиями и КПД асинхронных двигателей существенно падает.
В-четвертых, длительная работа с малыми нагрузками или на холостом ходу дополнительно снижает КПД.
В-пятых, падение напряжения в сети и плохое качество подводимой энергии, не только снижает КПД асинхронных двигателей, но и приводит к авариям. ГОСТ 183-74 допускает понижение напряжения питания АД не более 5 % от номинального значения. Реальные падения напряжения в промышленности и в сельском хозяйстве достигают 30 % и более.
По этим причинам, на длительном интервале времени, среднее значение КПД асинхронных двигателей с учетом работы с недогрузкой, пусками, остановками, реверсированием, работы со знакопеременными нагрузками, плохим качеством подводимой энергии и т.п. в различных отраслях народного хозяйства находится в диапазоне от 15 % до 30 %.
Прямые измерения КПД погружного асинхронного двигателя, типа ПЭД на реальной скважине в ОАО «НОЯБРЬСКНЕФТЕГАЗ» показали, что значение КПД, находятся в пределах 18 % — 22 %, хотя в лаборатории на имитаторе этот показатель составлял 76 %.
Принимаем средний КПД АД равным 30 %. Мы взяли явно завышенное значение среднего КПД, только потому, что у нас нет точных статистических исследований по всем отраслям промышленности и в сельском хозяйстве.
6. Рабочая машина, преобразующая на выходе структурной схемы, электрическую энергию в полезную работу. КПД рабочей машины (технологического оборудования) в номинальных условиях может иметь высокий КПД, вплоть до 80 % – 90 % (крупные центробежные насосы и вентиляторы). Однако, практически все технологические операции требуют регулирования рабочих параметров. При отсутствии регулирования, КПД рабочей машины снижается до 30 % – 40 %. Принимаем КПД = 40 %.
Существующие частотные системы управления, позволяющие регулировать АД в диапазоне 20% — 25%, дорого стоят. Кроме того, требуют высококвалифицированного обслуживающего персонала, что существенно увеличивающего эксплуатационные расходы. Поэтому, доля регулируемых приводов не превышает 5 % — 6 % и в расчетах ими можно пренебречь.
Посчитаем теперь эффективность преобразования природного энергоносителя в полезную работу: для этого перемножим КПД всех основных составляющих структурной схемы в относительных единицах.
ВЫВОД: ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ПОТРЕБЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ РАСХОДУЕТСЯ МЕНЕЕ ЧЕМ НА 2%, А 98% ЕГО ПОТЕНЦИАЛА ПРЕОБРАЗУТСЯ В ЯДОВИТЫЙ ДЫМ И ОБОГРЕВАНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Миллионы потребителей в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве используют асинхронные двигатели в нерегулируемом режиме. Нерегулируемость АД вносит определяющий вклад в энергетическую неэффективность использования энергоносителей. Все это сопровождается еще и многочисленными экологическими проблемами в разных частях мира. Газ, уголь, нефть (мазут), торф — являются невосполнимыми энергоносителями на Земле. Не в этом ли кроется основная причина нехватки энергоресурсов и надвигающегося глобального энергетического кризиса?
КАК ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ С МИНИМАЛЬНЫМИ ЗАТРАТАМИ?
Очевидно, следует выбрать приоритетное направление по критерию: минимальное вложение денежных средств к максимальному повышению эффективности.
Специалисты научно проектного предприятия ООО «КОПЭН», под руководством Яловега Николая Васильевича, разработали новые энергосберегающие электродвигатели переменного тока, названные РПЭДЯ. Мы предлагаем готовое решение глобальной проблемы, стоящей перед человечеством — проблемы нехватки и повышающейся стоимости энергетических ресурсов.
Многочисленные исследования в реальных условиях эксплуатации показали, что РПЭДЯ при выполнении той же работы, что и АД, потребляют в 3 — 5 раз меньше электроэнергии.
КАК ДОБИТЬСЯ ЗНАЧИТЕЛЬНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ?
Задача решается, относительно простой заменой существующих АД на РПЭДЯ.
Сильной стороной данного проекта является то, что это не требует огромных денежных вложений и долгих лет работы. Такая замена может быть произведена на существующем технологическом оборудовании путем модернизации того АД, которым укомплектовано это оборудование.
КАКИМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ОБЛАДАЕТ РПЭДЯ?
РПЭДЯ, выполненные в металлоконструкции традиционного АД, сохраняет все положительные свойства АД, но при этом появляются новые уникальные свойства:
1 РПЭДЯ регулируются при неизменной частоте тока путем плавного изменения величины напряжения во всем скоростном диапазоне, в р езультате у миллионов потребителей появились регулируемые энергосберегающие электродвигатели, внешне не отличающиеся от традиционных АД, легко встраиваемые в существующее технологическое оборудование. Регулирование частоты вращения вала РПЭДЯ обеспечивают простые, надежные, доступные по цене автотрансформаторы с ручным или дистанционным управлением, не требующие высококвалифицированного обслуживающего персонала. В случаях, требующих применения обратных связей, используются простые по конструкции и схемному решению полупроводниковые регуляторы напряжения или привод по схеме «генератор-двигатель», так же имеющие невысокую стоимость.
2. Механическая характеристика устойчивая, пусковой момент максимальный и в 2 — 3 раза больше, чем у АД, за счет чего даже для агрегатов с тяжелым пуском применяют РПЭДЯ без превышения установленной мощности, а следовательно электродвигатель работает в области высокого КПД. Это позволяет использовать РПЭДЯ в особо тяжелых случаях эксплуатации — в режиме работы с заторможенным ротором, например, в приводе прокатных станов или приводе буровых установок.
3. При не номинальной нагрузке, в отличие от АД энергетический КПД РПЭДЯ снижается незначительно, за счет чего даже в нерегулируемом приводе при часто меняющейся нагрузке, экономия электроэнергии составляет 200 % — 300 % (в 2 — 3 раза, а в отдельных случаях даже в 4 — 5 раз).
4. При колебаниях напряжения, в том числе падении в несколько раз, не опрокидывается», как АД, а устойчиво работает с меньшей мощностью, но с высоким КПД. Хорошо работает со знакопеременными нагрузками, частыми пусками, остановками, реверсированием и с малыми нагрузками.
5. Понижена кратность пусковых токов с 7 до 3,5, за счет чего автоматически без специальных устройств обеспечивается плавный пуск без ударов на сопряженную машину, снижается нагрев электродвигателя в процессе частых пусков и остановок, а так же повышается межремонтный ресурс.
6. Критическая перегрузка двигателя сопровождается плавным снижением оборотов вала — критический момент и резкий останов отсутствует, за счет чего дополнительно повышается надежность в работе двигателя и сопряженной машины, увеличивается допустимое число пусков и остановок в течение заданного времени и в специальных режимах.
7. Массогабаритные показатели снижены на 25 % — 100 %, при сохранении посадочных мест двигателя аналогичной мощности и назначения, в результате при ограничениях габаритного ряда, например в погружном электронасосном оборудовании, значительно более мощные РППЭДЯ, позволяют расширить границы применения такого оборудования, а короткие погружные электродвигатели использовать в сильно искривленных скважинах.
Регулируя частоту вращения вала электродвигателя простейшими многообмоточными трансформаторами или автотрансформаторами или по схеме «генератор-двигатель», что еще более эффективно, потребители могут оптимизировать технологические процессы, а, следовательно, повысить КПД рабочих машин (технологического оборудования) с 40 % до 80 % и более. При этом средний КПД асинхронных электродвигателей, модернизированных по схеме энергосберегающих РПЭДЯ, повышается с 30 % до 70 % и более. Посчитаем теперь эффективность преобразования энергоносителя.
ВЫВОД: ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ ЗАМЕНЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА РПЭДЯ МОЖНО ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ В 4,75 РАЗА.
Это значит, что все существующие в промышленности, сельском хозяйстве и быту потребители электроэнергии (объективно уже существующие), могут теоретически сократить в 4,75 раза потребление электрической энергии. Мы предлагаем готовое решение глобальной проблемы, стоящей перед человечеством — проблемы нехватки и постоянно повышающейся стоимости энергетических ресурсов.
ПРИГЛАШАЕМ К СОТРУДНИЧЕСТВУ РУКОВОДИТЕЛЕЙ МИНИСТЕРСТВ И ВЕДОМСТВ, ОТВЕЧАЮЩИХ ЗА РАЗВИТИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ.
Директор НПП ООО «КОПЭН»
Сергей Николаевич Яловега
Copyright(c) 2005 My Company. All rights reserved.
Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных двигателей, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток необходим для создания вращающегося магнитного поля у электрических машин и переменного магнитного потока трансформаторов.
Например, если активная мощность остается постоянной, обеспечивается током 100 А при cos φ =1, то при понижении cos φ до 0,8 и той же мощности сила тока в сети возрастает в 1,25 раза ( I а = I сети х cos φ , I с = I а / cos φ ).
При построении векторной диаграммы в качестве исходного вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный характер, то вектор тока I 1 отстает от вектора напряжения на угол φ 1 I а совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока I р отстает от него на 90° (рис. 2 б).
