Для чего нужно устанавливать систему компенсации коэффициента мощности

Планируя электрическую систему, выполняется множество задач. В дополнение к этому, в целях безопасности и надежности важно проверить правильность использования электроэнергии. Каждый контур, каждая деталь оборудования должна быть сконструирована таким образом, чтобы гарантировать максимальную общую отдачу в преобразовании источника энергии в работу.

Среди мероприятий, которые позволяют оптимизировать использование электричества, улучшение коэффициента мощности электрической системы без сомнения является одним из наиболее важных моментов.

Если измерять этот аспект с точки зрения электростанции, подъем среднего рабочего коэффициента мощности сети от 0,7 до 0,9 означает:

• сокращение расходов благодаря омическим потерям в сети на 40%;
• рост потенциала производственных и распределительных установок на 30%.

Эти цифры говорят сами за себя: это означает возможность экономии сотен тысяч тонн горючего и создания нескольких электростанций и сотен трансформаторных подстанций. В случае низкого коэффициента мощности энергетические компании повышают цены, чтобы покрыть дополнительные издержки, которые они несут из-за неэффективности системы, которая поставляет энергию.

Хорошо известно, что пользователи электричества, в частности переменного тока – за исключением нагревательных элементов – поглощают из сети не только эффективную энергию, которая переходит в механическую работу, свет, тепло и т.д. но также индуктивную электрическую энергию, чьей основной функцией является активация магнитных полей, необходимых для функционирования электрических машин.

Так, коэффициент мощности представляет собой отношение активной и кажущейся мощности (векторная сумма активной и реактивной мощности), показатель качества возможностей электрической системы, так как чем ниже коэффициент мощности, тем выше будет индуктивный реактивный компонент по отношению к активному компоненту. Существует возможность при необходимости производить реактивную энергию, установив силовые конденсаторы или автоматические системы компенсации коэффициента мощности. Конденсаторы поглощают ток, то есть 180% из фазы с индуктивным реактивным током; два тока алгебраически суммируются таким образом, что циркулирующий верхний поток из точки установки конденсатора – это реактивный ток, который равен разнице между индуктивным и ёмкостным токами.

Обмен происходит между конденсатором и пользователем; вот почему мы говорим, что конденсатор поставляет реактивную энергию пользователю.

Active Power – Активная мощность	Reactive Power – Реактивная мощность

Теоретически, когда необходимо выбрать, где разместить емкостную мощность, самым приемлемым решением с технической точки зрения будет определить для каждой нагрузки свой конденсатор с компенсацией коэффициента мощности, который включался бы одновременно с машиной.

На практике, однако, это влечет за собой непомерные расходы и в большинстве случаев технические проблемы, так как это требует установки большого числа разбросанных в разных местах маломощных конденсаторов, которые невозможно вовремя проконтролировать; плюс мало пользы извлекается от сокращения убытков, связанных с кабелями, этот показатель незначителен по сравнению с силовым трансформатором. Поэтому такое решение подходит только для больших предприятий или для предприятий, где используют очень мощные нагрузки.

Таким образом, самая приемлемая система компенсации коэффициента мощности состоит из автоматической конденсаторной батареи на шинах панели распределения и, если необходимо, настроенных конденсаторных батарей для компенсации коэффициента мощности трансформатора, асинхронных двигателей и нагрузки, поглощающей реактивную мощность в больших количествах.

У автоматической системы конденсаторной батареи есть задача включить необходимую емкость согласно нагрузке, требуемой в каждый конкретный момент.

Эффект гармоники в электрических системах

Гармонику можно определить, как один из компонентов полученных из пробоя периодической волны в ряду Фурье. Порядок гармоники далее определяется как соотношение частоты гармоники к основной частоте той же периодической волны.

В случае идеальной формы синусоидальной волны (как должно характеризовать напряжение, подаваемое электростанцией) будет присутствовать только основная гармоника первого порядка, в Европе ее частота составляет 50 Гц.

Если синусоидальное напряжение применить к нагрузке, циркулирующий ток также будет иметь форму синусоидальной волны, только при этом будут иметь место нагрузки с «линейными характеристиками».

При «нелинейной» нагрузке форма волны тока отклонится от эталона и пробивание волны согласно теореме Фурье даст гармонику, чьи число и амплитуда увеличатся вместе со степенью искривления формы волны тока.

Все более частое использование нелинейных нагрузок в промышленном оборудовании (инвертеры, лампы дневного света, сварочные агрегаты и т.д.) создает растущие искажения в форме волны циркулирующего тока. Это верно для конвертеров AC/DC, для которых входящий ток теоретически отображает только гармонику порядка:

где m является целым, отличным от 0 (так 1, 2, 3, 4, ...), а p – числом твердотельных переключателей. Следовательно, конвертер с шестифазной реакцией (p=6) генерирует канонические гармоники пятого и седьмого порядков (m=1), 11-го и 13-го порядков (m=2), 17-го и 19-го порядков (m=3) и т.д., тогда как конвертер с двенадцатифазной реакцией (p=12) генерирует канонические гармоники 11-го и 13-го порядков (m=1), 23-го и 25-го порядков (m=2).

Параметр, используемый для определения уровня присутствия гармонического искажения в электрической сети, - THD% (Полное Гармоническое Искажение), определяется как:

где I₁ – это действующее значение основной гармоники, а I_k представляет действующие значения гармоники порядка k.

Следовательно, присутствие в системе гармоники с кривой тока является показателем искажения (отклонения от синусоидального эталона) в форме волны самого тока.

Это будет иметь следствием увеличившиеся потери благодаря тепловому действию тока и поверхностный эффект в кабелях, а также увеличившиеся потери благодаря отставанию фаз и паразитным токам в металле трансформаторов и двигателей. В дополнение к этому, из-за сопротивления соответствующих кабелей может искажаться напряжение питающих сетей.

Установка в сети конденсаторов с компенсацией коэффициента мощности служит для создания условия параллельного резонанса между эквивалентной емкостью конденсаторов и эквивалентной индуктивностью системы (которую обычно могут аппроксимировать при расчете эквивалентной индуктивности трансформатора) в соответствии с частотой f_к.

Если S_cc обозначает мощность короткого замыкания системы (выражаемую в МВА) в точке соединения, а Q является установленной реактивной мощностью (выражаемую в МВАр), следовательно, частота параллельного резонанса f_копределяется как:

Мощность короткого замыкания S_сс системы можно аппроксимировать при расчете мощности короткого замыкания трансформатора MV/LV, обозначенной как S_cct, которая дана, как:

где A – это номинальная мощность трансформатора (выраженная в МВА), а V_cc% - это напряжение короткого замыкания трансформатора в процентах.

Гармоники напряжения, которые находятся в системе – обладающие частотой, близкой к частоте параллельного резонанса f_к – усилены. По этой причине, на входах конденсатора возникает слишком высокое напряжение, которое вызывает быстрое изнашивание диэлектрика, а следовательно значительно сокращает жизненный ресурс конденсатора. Какое решение принимать в таких случаях для коэффициента мощности, см. приведенный ниже раздел.

Выбор и определение размера системы компенсации коэффициента мощности

довольно просты: отметьте cosφ системы без компенсации коэффициента мощности и cosφ к которому необходимо прийти и благодаря нескольким вычислениям, будет выведена реактивная мощность, требуемая для достижения цели — коэффициента мощности.

Коэффициент мощности у двух пользователей может сильно отличаться, так как он зависит как от типа установленного оборудования, так и от способа его использования.

Например, у асинхронных двигателей (они используются наиболее часто, хотя в последние годы становятся все более популярными без щёточные двигатели, запускаемые статическим AC/DC или преобразователями AC/AC) коэффициент мощности может сильно различаться благодаря нагрузке двигателя и типу конструкции, а его значение может быть очень низким при отсутствии нагрузок.

Похожие наблюдения можно сделать относительно трансформаторов.

Для всех данных типов электрических машин часто выходом из положения является установка компенсации коэффициента мощности на уровне двигателя или трансформатора. Другие значительные отличия можно увидеть в электрическом оборудовании – лампах, котлах, сварочных агрегатах и преобразователях.