Способы снижения потребления реактивной мощности без компенсирующих устройств.

Мероприятия по снижению потребления реактивной мощности электроприёмниками (асинхронные двигатели, трансформаторы, вентильные преобразователи) экономически более выгодны, т.к. не требуют дополнительных капитальных затрат которые обычно сопутствуют внедрению компенсирующих установок.

Методы снижения потребления реактивной мощности электроприёмниками:

1. Замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности. Потребление реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от коэффициента загрузки и его технических характеристик. При номинальной загрузке и номинальном напряжении асинхронный двигатель (АД) потребляет реактивную мощность

Реактивную мощность, потребляемую АД из сети при XX, находят из выражения

Для двигателей с номинальным коэффициентом мощности реактивная мощностьXX составляет около 60% реактивной мощности при номинальной загрузке двигателя. Для АД с она достигает 70%.

Увеличение потребления реактивной мощности при полной загрузке двигателя по сравнению с потреблением приXX определяется разностью вышеуказанных выражений т.е.

При загрузках асинхронного двигателя, меньших номинальной, прирост потребления реактивной мощности по сравнению сXXпропорционален квадрату коэффициента загрузки двигателя где - коэффициент загрузки двигателя.

Коэффициент мощности АД уменьшается при уменьшении его загрузки, что следует из выражения:

Следовательно, замена систематически малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности способствует повышению мощности промышленных электроустановок.

Исследования показали, что если средняя загрузка двигателя составляет менее 45% номинального значения его мощности, то замена двигателя менее мощным всегда целесообразна и проверка расчётами не требуется. При загрузке двигателя более 70% номинальной мощности можно считать, что замена его в общем случае нецелесообразна. При загрузке двигателей 45-70 % целесообразность замены их должна быть подтверждена достаточным уменьшением суммарных потерь активной мощности в электрической системе и двигателе, которые рассчитываются по формуле:

где - коэффициент изменения потерь (задаётся предприятию энергосистемой), ; - прирост потерь активной мощности в двигателе при загрузке 100%, кВт; - расчётный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя; - потери активной мощности АД при ХХ, кВт.

2. Понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой. При невозможности замены малозагруженного асинхронного двигателя следует проверить целесообразность снижения напряжения на его зажимах. Снижение напряжения на выводах АД до определённого минимально допустимого значения приводит к уменьшению потребления реактивной мощности (за счёт уменьшения тока намагничивания) и тем самым к увеличению коэффициента мощности. При этом одновременно уменьшаются потери активной мощности и, следовательно, увеличивается КПД двигателя. Применяют следующие способы снижения напряжения у малозагруженных АД:

а) Переключение статорной обмотки с треугольника на звезду. Рекомендуется для двигателей напряжением до 1кВ, систематически загруженных менее чем на 40% номинальной мощности. Однако, из-за снижения вращающего момента в 3 раза необходимо производить проверку по предельному коэффициенту загрузки двигателя, определяемому условием устойчивости. где - кратность максимального вращающего момента по отношению к номинальному.

б) Секционирование статорных обмоток. Рекомендуется для двигателей с параллельными ветвями в статорной обмотке.

в) Понижение напряжения в сетях промышленных предприятий путем переключения ответвлений понижающих трансформаторов. Используется для снижения рабочего напряжения АД и направлено на повышение его коэффициента мощности. Однако если данный трансформатор питает одновременно другие приёмники, не допускающие снижения напряжения на их зажимах, то данный способ не используется.

3. Ограничение холостого хода работы асинхронных двигателей. Работа большинства АД характерна тем, что в перерывах между нагрузками они вращаются на XX. Если промежутки работы наXX достаточно велики, то целесообразно на это время отключать двигатель от сети. Применение ограничителей XX приводит к экономии электроэнергии, когда промежутки работы на XX превышают 10с. Когда промежутки XX меньше 10с, вопрос об эффективности ограничителей решается на основании технико-экономических расчётов.

4. Замена или отключение в период малых нагрузок трансформаторов. Повышения коэффициента мощности промышленного предприятия достигают за счёт рационализации работы трансформаторов, которую проводят путём их замены и перегруппировки (в случае недогруженности трансформаторов, см. раздел «выбор трансформаторов»), а также отключения некоторых трансформаторов в часы минимальных нагрузок.

5. Применение наиболее целесообразной силовой схемы в системе управления вентильного преобразователя. Вентильный преобразователь постоянного тока является потребителем реактивной мощности, так как основная гармоника тока отстает от напряжения. Угол сдвига , между основными гармониками напряжения и тока определяется в основном глубиной регулирования выпрямленного напряжения. Считают, что , где - среднее значение выпрямленного напряжения; - выпрямленное напряжение идеального XX, определяемое силовой схемой преобразователя.

Коэффициент мощности преобразователя ( ) определяют по основной гармонике

где - коэффициент искажения тока; - основная гармоника переменного тока преобразователя.

Реактивную мощность на шинах преобразователя со стороны системы переменного тока определяют по уравнениям:

где - среднее значение выпрямленного тока; - расчётный коэффициент, учитывающий силовую схему преобразователя (например, ); - фазное напряжение на входе преобразователя.

Реактивную мощность, потребляемую преобразователем, определяют соотношением между напряжением на стороне переменного тока и средним выпрямленным напряжением (степенью зарегулирования).

К уменьшению реактивной мощности, потребляемой преобразователем, приводят следующие меры:

1) применение более сложной силовой схемы (включение нулевого вентиля, регулирование напряжения на стороне переменного тока);

2) применение усложненных законов управления (поочередное управление последовательно соединенными преобразователями (см. рис. 2), несимметричное управление);

3) применение искусственной коммутации (одноступенчатой, двухступенчатой).

Перспективной является схема последовательного соединения мостов с поочерёдным управлением (см. рис. 3). Такое исполнение особенно целесообразно для двухъякорных двигателей, включаемых по восьмеричной схеме.

Рис. 4. Схема последовательного соединения преобразователей с поочерёдным управлением.

Так как изменение выпрямленного напряжения осуществляют регулированием одного преобразователя, то потребление реактивной мощности по сравнению с обычными схемами снижается на 30-40%.

В современной технике преобразования электроэнергии, для повышения коэффициента мощности преобразователей, используют схемы с искусственной коммутацией. Основным элементом в устройстве искусственной коммутации служит батарея конденсаторов (специальный трансформатор либо преобразователь частоты). За счёт запасённой электромагнитной энергии конденсаторов, вводимой в контур коммутации, происходит принудительный сдвиг тока в сторону опережения, и преобразователи могут работать, не потребляя реактивной мощности с или генерируя её - в качестве компенсатора.