Компенсирующее устройство реактивной мощности. Для чего нужна компенсация реактивной мощности и как она реализуется

Методика выбора устройств компенсации реактивной мощности (КРМ) заключается в выборе устройств, позволяющих улучшить коэффициент мощности потребителя до требуемого значения и состоит из следующих этапов:

• вычисление мощности устройства КРМ;
• проведение необходимых проверок и расчетов;
• собственно выбор устройства КРМ.

Выбор места установки устройства КРМ

В зависимости от особенностей конкретной электроустановки устройства КРМ могут быть установлены, как показано на рис. 1.

1. На вводе на стороне СН.
2. На главной распределительной шине.
3. На вторичной распределительной шине.
4. Индивидуальные конденсаторы нагрузок.

Вычисление мощности устройства КРМ, проведение необходимых проверок и расчетов

В общем случае мощность устройства КРМ определяется по формуле:

• Kc = tgϕ1 — tgϕ2;
• Qc – мощность установки КРМ;
• P – активная мощность;
• Кс – расчетный коэффициент.

Для определения коэффициента Кс существует специальная таблица по которой, зная cosϕ1 и cosϕ2, можно определить данный коэффициент, не прибегая к математическим вычислениям.

Способ вычисления активной мощности P, а также проведение необходимых проверок и расчетов устройства КРМ зависит от места его установки. Дальше будет приведен пример ее вычисления в случае установки устройства КРМ на главной распределительной шине.

Выбор устройства КРМ

Устройства КРМ выбираются по следующим техническим характеристикам:

• номинальная мощность;
• номинальное напряжение;
• номинальный ток;
• количество подключаемых ступеней;
• необходимость защиты от резонансных явлений с помощью реакторов.

Необходимая мощность набирается ступенями по 25 и 50 квар, при этом количество ступеней не должно превышать количество выходов контроллера, устанавливаемого в установку КРМ, так как к каждому выходу может быть подключена одна ступень.

Количество выходов контроллера обозначается цифрой, например, RVC6 (фирмы АББ) имеет 6 выходов.

В случае необходимости защиты от резонансных явлений требуется применение защитных реакторов (трехфазных дросселей), в таком случае должны выбираться установки, например типа MNS MCR и LK ACUL (фирмы АББ).

Пример выбора устройств КРМ

Ниже приведен пример выбора устройств КРМ для сети, показанной на рис.2.

Технические характеристики устройств, образующих сеть, следующие:

Питающая сеть:

• Номинальное напряжение 10 кВ;
• Частота 50 Гц;
• Коэффициент мощности cosϕ = 0,75;

Трансформаторы 1, 2:

• Номинальное напряжение первичной обмотки 10 кВ;
• Номинальное напряжение вторичной обмотки 400 В;
• Номинальная мощность S = 800 кВА;

Данные по кабелям и нагрузкам, подключаемым через вторичные распределительные щиты, представлены в таблице 1. Таблица 1

Выбор места установки устройства КРМ

В качестве места установки устройств КРМ приняты главные распределительные шины, как показано на рис. 3.

1. Требуемые мощности устройств определим по формуле:

2. Суммарные активные мощности нагрузок, получающих питание от каждого из двух трансформаторов, определим по формуле:

подставив значения из таблицы 1, получим:

3. Определяем средневзвешенный cosφ для первого трансформатора по формуле:

4. Определяем средневзвешенный cosφ для второго трансформатора по формуле:

5. Определим коэффициент Кс при помощи таблицы 2, учитывая, что требуемый cosφ 2 = 0,95.

• для первого устройства КРМ Кс1 = 0,474;
• для второго устройства КРМ Кс2 = 0,526.

6. Зная для каждого трансформатора Кс и P, определим требуемые мощности устройств КРМ:

• для первого трансформатора:

• для второго трансформатора:

Расчет мощности устройства КРМ на основе баланса мощности

7. Определим мощность устройства КРМ по формуле [Л5. с 229]. для первого трансформатора:

• для второго трансформатора:

8. Определяем tgϕ1 и tgϕ2 зная cosϕ1 и cosϕ2:

• для первого трансформатора tgϕ1:

• для первого и второго трансформатора tgϕ2:

• для второго трансформатора tgϕ1:

Как видно из двух вариантов расчета мощности КРМ, значения требуемой мощности практически не отличаются. Какой из вариантов выбора мощности устройства КРМ использовать, решайте сами. Я принимай мощность устройства КРМ по варианту с определением коэффициента Кс по таблице 2.

Соответственно принятая требуемая мощность устройства КРМ составляет 270 и 300 квар.

9. Рассчитаем номинальный ток устройства КРМ для первого трансформатора:

10. Рассчитаем номинальный ток устройства КРМ для второго трансформатора:

Защита УКРМ

При выборе автоматических выключателей для защиты устройства КРМ, нужно руководствоваться ПУЭ 7-издание пункт 5.6.15. Согласно которому аппараты и токоведущие части в цепи конденсаторной батареи должны допускать длительное прохождение тока, составляющего 130% номинального тока батареи.

Определяем уставку по защите от перегрузки:

• для УКРМ1: 390*1,3 = 507 А;
• для УКРМ2: 434*1,3 = 564 А

Уставка защиты от КЗ должна быть нечувствительна к броску тока. Уставка составляет 10 x In.

Определяем уставку защиты от КЗ:

• для УКРМ1: 390 x 10 = 3900 А;
• для УКРМ2: 434 x 10 = 4340 А

Проверка установки КРМ на отсутствие резонанса

В данном примере проверка установки КРМ на отсутствие резонанса не выполнялась, из-за отсутствия нелинейной нагрузки, а также отсутствия существенных искажений в сети 10 кВ.

В случае же, если у Вас преобладает нелинейная нагрузка, нужно выполнить проверку УКРМ на отсутствие резонанса, а также выполнить расчет качества электрической энергии после установки УКРМ и загрузку батарей статических конденсаторов (БСК).

Для удобства расчета по выбору устройства компенсации реактивной мощности, я к данной статье прикладываю архив со всей технической литературой, которую использовал при выборе УКРМ.

Литература:

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. 2008г.
2. Учебное пособие по электроустановкам от фирмы АВВ. 2007г.
3. Справочник по компенсации реактивной мощности от фирмы RTR-Energia.
4. Выпуск № 21. Руководство по компенсации реактивной мощности с учетом влияния гармоник от фирмы Schneider Electric. 2008г.
5. Б.Ю.Липкин. Электроснабжение промышленных предприятий и установок, 1990 г.

Электрооборудование во время работы потребляет энергию. При этом полная мощность состоит из двух составляющих: активная и реактивная. Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но вносит в цепь дополнительные потери. Поэтому её стремятся снизить, для чего и приходят к различным техническим решениям для компенсации реактивной мощности в электрических сетях. В этой статье мы рассмотрим, что это такое и для чего нужно компенсирующее устройство.

Определение

Полная электрическая мощность состоит из активной и реактивной энергии:

Здесь Q – реактивная, P – активная.

Реактивная мощность возникает в магнитных и электрических полях, которые характерны для индуктивной и емкостной нагрузки при работе в цепях переменного тока. При работе активной нагрузки, фазы напряжения и тока одинаковы и совпадают. При подключении индуктивной нагрузки – напряжение отстает от тока, а при емкостной – опережает.

Косинус угла сдвига между этими фазами называется коэффициентом мощности.

cosФ=P/S

P=S*cosФ

Косинус угла всегда меньше единицы, соответственно активная мощность всегда меньше полной. Реактивный ток протекает в обратном направлении относительно активного и препятствует его прохождению. Так как по проводам протекает ток полной нагрузки:

То и при разработке проектов линий электропередач нужно учитывать потребление активной и реактивной энергии. Если последней будет слишком много, то придется увеличивать сечение линий, что ведет к дополнительным затратам. Поэтому с ней борются. Компенсация реактивной мощности снижает нагрузку на сети и экономит электроэнергию промышленных предприятий.

Где важно учитывать косинус Фи

Давайте разберемся, где и когда нужна компенсация реактивной мощности. Для этого нужно проанализировать её источники.

Примером основной реактивной нагрузки являются:

• электрические двигатели, коллекторные и асинхронные, особенно если в рабочем режиме его нагрузка мала для конкретного двигателя;
• электромеханические исполнительные механизмы (соленоиды, клапана, электромагниты);
• электромагнитные коммутационные приборы;
• трансформаторы, особенно на холостом ходу.

На графике изображено изменение cosФ электродвигателя при изменении нагрузки.

Основу электрохозяйства большинства промышленных предприятий составляет электропривод. Отсюда и высокое потребление реактивной мощности. Частные потребители не оплачивают её потребление, а предприятия оплачивают. Это вызывает дополнительные затраты, от 10 до 30% и более от общей суммы счета за электроэнергию.

Виды компенсаторов и их принцип действия

В целях снижения реактива используют устройства компенсации реактивной мощности, т.н. УКРМ. В качестве компенсатора мощности на практике используют чаще всего:

• батареи конденсаторов;
• синхронные двигатели.

Так как в течении времени количество реактивной мощности может изменяться, значит и компенсаторы могут быть:

1. Нерегулируемые – обычно конденсаторная батарея без возможности отключения отдельных конденсаторов для изменения емкости.
2. Автоматические – ступени компенсации изменяются в зависимости от состояния сети.
3. Динамические – компенсируют, когда нагрузка быстро изменяет свой характер.

В схеме используется, в зависимости от количества реактивной энергии от одного до целой батареи конденсаторов, которые можно вводить и выводить из цепи. Тогда и управление может быть:

• ручным (автоматические выключатели);
• полуавтоматическим (кнопочные посты с контакторами);
• неуправляемыми, тогда они подсоединены напрямую к нагрузке, включаются и отключаются вместе с ней.

Конденсаторные батареи могут устанавливаться как на подстанциях, так и непосредственно возле потребителей, тогда устройство подключается к их кабелям или шинам питания. В последнем случае обычно рассчитываются на индивидуальную компенсацию реактива конкретного двигателя или другого прибора – часто встречается на оборудовании в электрических сетях 0,4 кВ.

Централизованная компенсация выполняется либо на границе балансового раздела сетей, либо на подстанции, при чем может выполняться в высоковольтных сетях 110 кВ. Хороша тем, что разгружает высоковольтные линии, но плохо то, что не разгружаются линии 0,4 кВ и сам трансформатор. Этот способ дешевле остальных. При этом можно и централизованно разгрузить и низкую сторону 0,4 кВ, тогда УКРМ подключается к шинам, к которым подключена вторичная обмотка трансформатора, соответственно разгружается и он.

Также может быть и вариант групповой компенсации. Это промежуточный вид между централизованным и индивидуальным.

Другой способ – компенсация синхронными двигателями, которые могут компенсировать реактивную мощность. Проявляется, когда двигатель работает в режиме перевозбуждения. Такое решение используется в сетях 6 кВ и 10 кВ, также встречается и до 1000В. Преимуществом этого метода перед установкой конденсаторных батарей – возможность использования компенсатора для совершения полезной работы (вращения мощных компрессоров и насосов, например).

На графике изображена U-образная характеристика синхронного двигателя, которая отражает зависимость тока статора от тока возбуждения. Под ней вы видите, чему равен косинус фи. Когда он больше нуля – двигатель имеет емкостной характер, а когда косинус меньше нуля – нагрузка является емкостной и компенсирует реактивную мощность остальной части индуктивных потребителей.

Заключение

Подведем итоги, перечислив основные тезисы о компенсации реактивной энергии:

• Назначение – разгрузка линий электропередач и электрических сетей предприятий. В состав устройства могут входить антирезонансные дроссели для уменьшения уровня .
• За неё не уплачивают счета частные лица, но платят предприятия.
• В состав компенсатора входят батареи конденсаторов или в этих же целях используют синхронные машины.

Материалы

Используя электричество, мы задействуем активную и реактивную энергию. Приносить пользу способна только активная энергия, она всегда преобразуется в блага, в которых нуждаются люди. Реактивная энергия задерживается в сетях, она участвует в создании электромагнитных полей. Такие процессы можно наблюдать в трансформаторах, электродвигателях и других востребованных типах оборудования. Неиспользуемая энергия не исчезает бесследно, она создает дополнительную нагрузку на всю сеть, тем самым провоцируя потери активной энергии. В итоге пользователь получает двойные потери, которых можно было бы избежать, используя регулятор и компенсатор реактивной мощности.

Потери в сетях происходят по различным причинам, но основной проблемой выступает реактивная энергия в проводящих сетях. Компенсация реактивной мощности для владельцев предприятий и представителей ЖКХ в обязательном порядке проводиться с помощью установки регуляторов реактивной мощности, ведь потребление энергии на масштабных объектах доходит до максимального уровня.

Ассортимент компании «РУСЭЛТ»

Компания «РУСЭЛТ» занимается разработкой и выпуском сертифицированной продукции, которая соответствует европейским стандартам качества и надежности. ТУ 3114-017-55978767-09 служит подтверждением нашей компетентности и ответственности. В компании представлены модели укрм:

• КРМ-0,4 – применяются для автоматического и ручного регулирования мощности (от 20 до 1000 кВар);
• КРМ-Ф – выполняют функцию компенсации и фильтрации (от 20 до 1000 кВар);
• КРМ-MINI (КРМ-М) – применимы для сетей, имеют управляемый тип (20, 30, 40 кВар).

Почему используются компенсаторы?

Выделяют ряд преимуществ использования компенсаторов и регуляторов реактивной мощности:

• снижение затрат электроэнергии до тридцати процентов;
• продление срока службы трансформаторного и другого специального оборудования, сохранение целостности оборудования;
• снижение электрической нагрузки в сетях и кабелях соединения;
• продление срока службы коммутационного оборудования;
• исключение штрафов и других наказаний со стороны государственных органов;
• сокращение риска возникновения помех в сетях.

Производитель «РУСЭЛТ» использует в работе современные технологии оборудования для экономии энергоресурсов.Мы стремимся удовлетворить запросы потребителей, поэтому расширяем и совершенствуем ассортимент товаров.

Навязчивая реклама в интернете и даже на государственных каналах телевидения через телемагазин настойчиво предлагает населению устройство для экономии электроэнергии в виде «новинок» электронной промышленности. Пенсионерам предоставляется скидка 50 % от общей стоимости.

«Saving Box» — так называется один из предлагаемых приборов. О них уже писалось в статье . Пришла пора продолжить тему на примере конкретной модели, объяснив более подробно:

что такое реактивное сопротивление;

каким образом создается активная и реактивная мощность;

как осуществляется компенсация реактивной мощности;

на основе чего работают компенсаторы реактивной мощности и устройство для экономии электроэнергии.

Людям, купившим такое устройство, приходит по почте посылка с красивой коробочкой. Внутри расположен элегантный пластмассовый корпус с двумя светодиодами на лицевой стороне и вилкой для установки в розетку — с обратной.

Чудо-прибор для экономии электроэнергии (для увеличения нажмите на рисунок):

На приложенной фотографии показаны заявленные производителем характеристики: 15000 Вт при напряжении в сети от 90 до 250 В. Оценим их с точки зрения электрика-практика по приведенным под картинками формулам.

При наименьшем указанном напряжении такое устройство должно пропускать через себя ток 166,67 А, а при 250 В — 60 А. Сравним полученные расчеты с нагрузками сварочных аппаратов переменного напряжения.

Ток сварки для стальных электродов диаметром 5 мм составляет 150÷220 ампер, а для толщины 1,6 мм достаточно — 35÷60 А. Эти рекомендации есть в любом справочнике электросварщика.

Вспомните вес и габариты сварочного аппарата, который варит электродами 5 мм. Сравните их с пластмассовой коробочкой, величиной с зарядное устройство мобильного телефона. Подумайте, почему от тока 150 А плавятся стальные электроды 5 мм, а остаются целыми контакты вилки этого «прибора», да и вся проводка в квартире?

Чтобы понять причину такого несоответствия, пришлось вскрыть корпус, показав «внутренности» электроники. Там кроме платы для подсветки светодиодов и предохранителя размещена еще одна пластиковая коробочка, для бутафории.

Внимание! В этой схеме отсутствует устройство для экономии электроэнергии или ее компенсации.

Неужели обман? Попробуем разобраться с помощью основ электротехники и действующих промышленных компенсаторов электроэнергии, работающих на предприятиях энергетики.

Принципы электроснабжения

Рассмотрим типовую схему подключения к генератору переменного напряжения потребителей электричества, как маленький аналог питающей электросети квартиры. Для наглядности его характеристик индуктивности, емкости и активной нагрузки показаны , и . Будем считать, что они работают в установившемся режиме при прохождении по всему контуру тока одной величины I.

Электрическая схема (для увеличения нажмите на рисунок):

Здесь энергия генератора с напряжением U распределится составными частями на:

обмотку индуктивности UL;

обкладки конденсатора UC;

активное сопротивление ТЭН UR.

Если представить рассматриваемые величины векторной формой и выполнить их геометрическое сложение в полярной системе координат, то получится обыкновенный треугольник напряжений, в котором величина активной составляющей UR по направлению совпадает с вектором тока.

UХ образован сложением падений напряжений на обмотке индуктивности UL и обкладках конденсатора UС. Причем это действие учитывает их направление.

В итоге получилось, что вектор напряжения генератора U отклонен от направления тока I на угол φ.

Еще раз обратите внимание на то, что ток в цепи I не меняется, он одинаков на всех участках. Поэтому разделим составляющие треугольника напряжений на величину I. На основании закона Ома получим треугольник сопротивлений.

Общее сопротивление индуктивности XL и емкости ХС принято называть термином «реактивное сопротивление» Х. Приложенное к клеммам генератора полное сопротивление нашей цепи Z состоит из суммы активного сопротивления ТЭН R и реактивного значения Х.

Выполним другое действие — умножение векторов треугольника напряжений на I. В итоге преобразований формируется треугольник мощностей. Активная и у него создают полную приложенную величину. Суммарная энергия, выдаваемая генератором S, расходуется на активную Р и реактивную Q составляющие.

Активная часть расходуется потребителями, а реактивная выделяется при магнитных и электрических преобразованиях. Емкостные и индуктивные мощности потребителями не используются, но нагружают токопроводы с генераторами.

Внимание! Во всех 3-х прямоугольных треугольниках сохраняются пропорции между сторонами, а угол φ не меняется.

Теперь будем разбираться, как проявляется реактивная энергия и почему счетчики бытовые ее не учитывали.

Что такое компенсация реактивной мощности в промышленности?

В энергетике страны, а более точно — государств целого континента, производством электричества занято огромнейшее число генераторов. Среди них встречаются как простые самодельные конструкции мастеров-энтузиастов, так и мощнейшие промышленные установки ГЭС и атомных станций.

Вся их энергия суммируется, трансформируется и распределяется конечному потребителю по сложнейшим технологиям и транспортным магистралям на огромные расстояния. При таком способе передачи электрический ток проходит через большое количество индуктивностей в виде обмоток трансформаторов/автотрансформаторов, реакторов, заградителей и других устройств, создающих индуктивную нагрузку.

Воздушные провода, а особенно кабели, создают в цепи емкостную составляющую. Ее величину добавляют различные конденсаторные установки. Металл проводов, по которым протекает ток, обладает активным сопротивлением.

Таким образом, сложнейшая энергетическая система может быть упрощена до рассмотренной нами схемы из генератора, индуктивности, активной нагрузки и емкости. Только ее необходимо еще объединить в три фазы.

Задача энергетики — дать потребителю качественное электричество. Применительно к конечному объекту это подразумевает подачу на вводной щиток электроэнергии напряжением 220/380 В, частотой 50 Гц с отсутствием помех и реактивных составляющих. Все отклонения этих величин ограничены требованиями ГОСТ.

При этом потребителя интересует не реактивная составляющая Q, создающая дополнительные потери, а получение активной мощности Р, которая совершает полезную работу. Для характеристики качества электричества пользуются безразмерным отношением Р к приложенной энергии S, для чего применяется косинус угла φ. Активную мощность Р учитывают все бытовые электрические счетчики.

Устройства компенсации электрической мощности приводят в норму электроэнергию для распределения между потребителями, уменьшают до нормы реактивные составляющие. При этом также осуществляется «выравнивание» синусоид фаз, в которых убираются частотные помехи, сглаживаются последствия переходных процессов при коммутациях схем, нормализуется частота.

Промышленные компенсаторы реактивной мощности устанавливаются после вводов трансформаторных подстанций перед распределительными устройствами: через них пропускается полная мощность электроустановки. Как пример, смотрите фрагмент однолинейной электросхемы подстанции в сети 10 кВ, где компенсатор принимает токи от АТ и только после его обработки электричество поступает дальше, а нагрузка на источники энергии и соединительные провода уменьшается.

Вернемся на мгновение к прибору «Saving Box» и зададим вопрос: как он может компенсировать мощности при расположении в конечной розетке, а не на вводе в квартиру перед счетчиком?

Смотрите на фото, как внушительно выглядят промышленные компенсаторы. Они могут создаваться и работать на разной элементной базе. Их функции:

плавное регулирование реактивной составляющей с быстродействующей разгрузкой оборудования от перетоков мощностей и снижения потерь энергии;

стабилизация напряжения;

повышение динамической и статистической устойчивости схемы.

Выполнение этих задач обеспечивает надежность электроснабжения и уменьшение затрат на конструкцию тоководов нормализацией температурных режимов.

Что такое компенсация реактивной мощности в квартире?

Электроприборы домашней электрической сети также обладают индуктивным, емкостным и активным сопротивлением. Для них справедливы все соотношения рассмотренных выше треугольников, в которых присутствуют реактивные составляющие.

Только следует понимать, что они создаются при прохождении тока (учитываемого счетчиком, кстати) по уже подключенной в сеть нагрузке. Генерируемые индуктивные и емкостные напряжения создают соответствующие реактивные составляющие мощности в этой же квартире, дополнительно нагружают электропроводку.

Их величину никак не учитывает старый индукционный счетчик. А вот отдельные статические модели учета способны ее фиксировать. Это позволяет точнее анализировать ситуацию с токовыми нагрузками и термическим воздействием на изоляцию при работе большого количества электродвигателей. Емкостное напряжение, создаваемое бытовыми приборами, очень маленькое, как и ее реактивная энергия и счетчики ее часто не показывают.

Компенсация реактивной составляющей в таком случае заключается в подключении конденсаторных установок, «гасящих» индуктивную мощность. Они должны подключаться только в нужный момент на определенный промежуток времени и иметь свои коммутационные контакты.

Такие компенсаторы реактивной мощности имеют значительные габариты и подходят больше для производственных целей, часто работают с комплектом автоматики. Они никак не снижают потребление активной мощности, не могут сократить оплату электроэнергии.

Заключение

Заявленные производителем возможности и технические характеристики «Saving Box» не соответствуют действительности, используются для рекламы, построенной на обмане.

Обществу защиты прав потребителей и правоохранительным органам давно пора принять меры к прекращению продаж в стране некачественной продукции хотя бы через государственные каналы информации.

В квартирах и частных домах установлен один электросчетчик, по которому производится расчет оплаты за потребленную энергию. Упрощенно считается, что в быту используется только ее активная составляющая, хотя это не совсем так. Современное жилище насыщено устройствами, в схемах которых присутствуют элементы, сдвигающие фазу. Однако реактивная мощность, которую потребляют бытовые приборы, несравнимо меньше, чем у промышленных предприятий, поэтому при расчете оплаты ею традиционно пренебрегают.

Нагрузка индуктивная и емкостная

Если взять обычный нагревательный прибор или электрическую лампочку, то мощность, указанная в соответствующей надписи на колбе или табличке-шильдике, будет соответствовать произведению величин тока, проходящего через это устройство, и напряжения сети (у нас это 220 Вольт). Ситуация меняется, если прибор содержит трансформатор, другие элементы, содержащие или конденсаторы. Эти детали обладают особыми свойствами, график протекающего в них тока отстает или опережает синусоиду питающего напряжения - другими словами, происходит сдвиг фазы. Идеальная емкостная нагрузка сдвигает вектор на -90, а индуктивная - на +90 градусов. Мощность в этом случае становится результатом не только произведения тока на напряжение, добавляется некий поправочный коэффициент. К чему это приводит?

Геометрическое отражение процесса

Из школьного курса геометрии всем известно, что гипотенуза длиннее любого из катетов в прямоугольном треугольнике. Если активная, реактивная и полная мощность образуют его стороны, то токи, потребляемые катушкой и емкостью, будут находиться под прямым углом к резистивной составляющей, но с направлениями в противоположные стороны. При сложении (или, если угодно, вычитании, они разнознаковые) величин суммарный вектор, то есть полная реактивная мощность, в зависимости от того, какой характер нагрузки преобладает в схеме, будет направлен вверх или вниз. По его направлению можно судить, какой характер нагрузки преобладает.

Реактивная мощность при векторном сложении с активной составляющей даст полную величину потребляемой мощности. Она графически изображается как гипотенуза треугольника мощности. Чем более эта линия будет полого располагаться по отношению к оси абсцисс, тем лучше.

Косинус фи

Теория и практика

Все теоретические выкладки имеют ценность тем большую, чем применимее они на практике. Картина на любом развитом промышленном предприятии следующая: большая часть электроэнергии потребляется двигателями (синхронными, асинхронными, однофазными, трехфазными) и прочими машинами. А ведь есть еще и трансформаторы. Вывод простой: в реальных производственных условиях преобладает реактивная мощность индуктивного характера. Следует отметить, что на предприятиях устанавливают не один электросчетчик, как в домах и квартирах, а два, один из которых активный, а другой - несложно догадаться какой. И за перерасход напрасно «гоняемой» по линиям электропередач энергии соответствующие органы беспощадно штрафуют, так что администрация кровно заинтересована в том, чтобы произвести расчет реактивной мощности и принять меры к ее снижению. Ясно, что без электрической емкости при решении этой задачи не обойтись.

Компенсация по теории

Расчет производится по формуле:

• C = 1 / (2πFX), где X - полное реактивное сопротивление всех включенных в сеть устройств; F - частота напряжения питания (у нас - 50 Hz);

Вроде бы - чего проще? Перемножить «X» и число «пи» на 50 да поделить. Однако все несколько сложнее.

А как на практике?

Формула несложна, но определить и рассчитать X не так-то просто. Для этого нужно взять все данные об устройствах, узнать их реактивное сопротивление, причем в векторном виде, и уже тогда… На самом деле, никто этим не занимается, кроме студентов на лабораторных работах.

Определить реактивную мощность можно и иначе, при помощи специального прибора - фазометра, указывающего косинус фи, или сравнив показания ваттметра, амперметра и вольтметра.

Осложняется дело тем, что в условиях реального производственного процесса величина нагрузки постоянно меняется, так как одни машины в процессе работы включаются, другие, напротив, отключаются от сети, как того требует технологический регламент. Соответственно, необходимы постоянные меры по отслеживанию ситуации. Во время ночных смен работает освещение, зимой в цехах может осуществляться нагрев воздуха, а летом - его охлаждение. Так или иначе, но компенсация реактивной мощности производится на основе теоретических расчетов с большой долей практических замеров cos φ.

Подключая и отключая конденсаторы

Наиболее простой и очевидный способ решить проблему - посадить возле фазометра специального работника, который бы включал или выключал нужное количество конденсаторов, добиваясь минимальной величины отклонения стрелки от единицы. Так вначале и делали, но практика показала, что пресловутый человеческий фактор не всегда позволяет добиваться нужного эффекта. В любом случае компенсация реактивной мощности, имеющей чаще всего индуктивный характер, производится подключением электрической емкости соответствующей величины, но делать это лучше в автоматическом режиме, иначе нерадивый работник может подвести родное предприятие под крупный штраф. Опять же, труд этот квалифицированным назвать нельзя, автоматизации он вполне поддается. Простейшая схема включает оптическую электронную пару из излучателя и приемника света. Стрелка перекрыла минимальное значение - значит, нужно добавить емкости.

Автоматика и интеллектуальные алгоритмы

В настоящее время есть системы, позволяющие надежно удерживать cos φ в пределах от 0,9 до 1. Так как подключение конденсаторов в них происходит дискретно, то идеального результата добиться невозможно, но экономический эффект автоматический компенсатор реактивной мощности все равно дает очень хороший. В основе работы этого прибора лежат интеллектуальные алгоритмы, обеспечивающие работу сразу после включения, чаще всего даже без дополнительных настроек. Технологические достижения в области вычислительной техники позволяют добиваться равномерного подключения всех ступеней конденсаторных батарей для того, чтобы избежать преждевременного выхода из строя одной или двух из них. Время срабатывания также минимизировано, а дополнительные дроссели снижают величину перепада напряжения во время переходных процессов. Современный питанием предприятия обладает соответствующей эргономической компоновкой, которая создает условия для быстрой оценки оператором ситуации, а в случае аварии или выхода из строя он получит немедленный тревожный сигнал. Цена такого шкафа немалая, но заплатить за него стоит, пользу он приносит.

Устройство компенсатора

Обычный компенсатор реактивной мощности представляет собой металлический шкаф стандартных размеров с панелью контроля и управления на лицевой панели, обычно открываемой. В нижней части его располагаются наборы конденсаторов (батареи). Такое расположение обусловлено простым соображением: электрические емкости довольно тяжелые, и вполне логично стремление сделать конструкцию более устойчивой. В верхней части, на уровне глаз оператора, находятся необходимые контрольные приборы, в том числе и фазоуказатель, при помощи которого можно судить о величине коэффициента мощности. Имеется также различная индикация, в том числе и аварийная, органы управления (включения и выключения, перехода на ручной режим и проч.). Оценку сравнения показаний измерительных датчиков и выработку управляющих воздействий (подключение конденсаторов нужного номинала) выполняет схема, основой которой служит микропроцессор. Исполнительные устройства работают быстро и бесшумно, они, как правило, построены на мощных тиристорах.

Примерный расчет конденсаторных батарей

На относительно небольших предприятиях реактивная мощность цепи может примерно оцениваться по количеству подключенных устройств с учетом их фазосдвигающих характеристик. Так, обычный асинхронный электродвигатель (главный «работяга» фабрик и заводов) при нагрузке, равной половине его обладает cos φ, равным 0,73, а люминесцентный светильник - 0,5. Параметр контактного сварочного аппарата колеблется в пределах от 0,8 до 0,9, дуговая печь работает с косинусом φ, равным 0,8. Таблицы, имеющиеся в распоряжении практически каждого главного энергетика, содержат сведения о практически всех видах промышленного оборудования, и предварительная установка компенсации реактивной мощности может производиться при помощи них. Однако такие данные служат лишь базой, на основании которой необходимо вносить коррективы, добавляя или отключая конденсаторные батареи.

В масштабах страны

Может сложиться впечатление о том, что всю заботу о параметрах электросетей и равномерности нагрузки на нее государство возложило на фабрики, заводы и прочие промышленные предприятия. Это не так. Энергосистема страны контролирует сдвиг фаз в общегосударственном и региональном масштабе, прямо на выходе своего особого товара из электростанций. Другой вопрос в том, что компенсация реактивной составляющей осуществляется не подключением конденсаторных батарей, а иным методом. Для обеспечения качества отпускаемой потребителям энергии в роторных обмотках регулируется ток подмагничивания, что в синхронных генераторах не составляет большой проблемы.