Какие способы повышения коэффициента мощности применяются в промышленности

Почему необходимо повышать коэффициент мощности?

Коэффициент мощности – это отношение полезной (активной) мощности к полной (кажущейся) мощности, потребляемой электрооборудованием объекта или электроустановкой. Он является мерой эффективности преобразования электрической энергии в полезную работу. Идеальное значение коэффициента мощности равно единице. Любая величина, меньшая, чем единица, означает, что для получения желаемого результата необходима дополнительная мощность.

Протекание токов приводит к потерям в генерирующих мощностях и распределительной системе. Нагрузка с коэффициентом мощности 1,0 наиболее эффективно загружает источник, а нагрузка с коэффициентом мощности, к примеру, 0,8 является причиной больших потерь в системе и более высоких расходов на электроэнергию. Сравнительно небольшое улучшение коэффициента мощности может привести к значительному снижению потерь, так как они пропорциональны квадрату тока.

Если коэффициент мощности меньше единицы, это указывает на присутствие так называемой реактивной мощности. Она требуется для получения магнитного поля, необходимого для работы двигателей и других индуктивных нагрузок. Реактивная мощность, которую также можно назвать бесполезной мощностью или мощностью намагничивания, создаёт дополнительную нагрузку на систему электропитания и увеличивает затраты потребителя за электроэнергию.

Низкий коэффициент мощности обычно является результатом сдвига фаз между напряжением и током на выводах нагрузки. Также его причиной может стать высокое содержание гармоник, то есть сильно искажённая форма тока. Коэффициент мощности чаще всего понижается из-за наличия индуктивных нагрузок: асинхронных двигателей, силовых трансформаторов, ПРА люминесцентных ламп, сварочных установок и дуговых печей. Искажения формы тока могут быть результатом работы выпрямителей, преобразователей, регулируемых приводов, импульсных источников питания, газоразрядных ламп или других электронных нагрузок.

Низкий коэффициент мощности из-за индуктивных нагрузок может быть улучшен с помощью оборудования коррекции коэффициента мощности, а низкий коэффициент мощности из-за искажения формы тока требует изменения конструкции оборудования или установки фильтров гармоник. Некоторые преобразователи позиционируются как имеющие коэффициент мощности выше 0,95, тогда как на самом деле их реальный коэффициент мощности находится в пределах от 0,5 до 0,75. Значение 0,95 основано на косинусе угла между напряжением и током и не учитывает провалы в форме тока, которые также приводят к увеличению потерь.

Для работы индуктивной нагрузки необходимо магнитное поле, для создания которого требуется ток, отстающий по фазе от напряжения. Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это процесс компенсации отставания тока путём генерации опережающего тока при подключении конденсаторов к системе электроснабжения. При этом величина подключаемой ёмкости выбирается таким образом, чтобы коэффициент мощности был максимально возможно близким к единице.

Подробнее о коэффициенте мощности

Представим себе однофазный асинхронный двигатель. Если он является чисто резистивной нагрузкой для источника, ток будет в фазе с напряжением. Но так не бывает. Двигатель имеет магнитную систему, и ток намагничивания находится не в фазе с напряжением. Ток намагничивания – это ток, который определяет магнитный поток в сердечнике. Будучи не в фазе с напряжением, он заставляет поворачиваться вал двигателя. Ток намагничивания не зависит от нагрузки двигателя, его величина обычно находится в пределах от 20 до 60% от номинального тока двигателя при полной нагрузке, и он не вносит вклад в выполнение двигателем полезной работы.

Рассмотрим двигатель с током потребления 10 А и коэффициентом мощности 0,75. В этом случае полезный ток равен 7,5 А. Полезная мощность двигателя равна 230 х 7,5 = 1,725 кВт, однако общая потребляемая мощность составляет 230 х 10 = 2,3 кВт. Без коррекции коэффициента мощности для получения требуемой мощности 1,725 кВт (7,5 А) должна подаваться мощность 2,3 кВА (10 А). То есть потребляется ток 10 А, но полезную работу выполняют только 7,5 А.

Коэффициент мощности можно определить двумя способами:

• коэффициент мощности равен частному активной мощности (кВт) и полной мощности (кВА).
• коэффициент мощности равен косинусу угла между активной мощностью и полной мощностью (cosφ).

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это название технологии, которая используется с начала 20 века для восстановления значения коэффициента мощности до значения, как можно более близкого к единице. Это обычно достигается подключением к сети конденсаторов, которые компенсируют потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками и таким образом снижают нагрузку на источник. При этом не должно быть никакого влияния на работу оборудования.

Обычно для уменьшения потерь в системе распределения и снижения расходов на электроэнергию производится компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов, которые подключаются к сети для максимально возможной компенсации тока намагничивания. Через конденсаторы, содержащиеся в большинстве устройств компенсации реактивной мощности, проходит ток, который опережает по фазе напряжение, обеспечивая таким образом опережающий коэффициент мощности. Если конденсаторы подключаются к цепи, которая работает при отстающем коэффициенте мощности, это отставание соответственно уменьшается.

Обычно значение скорректированного коэффициента мощности находится в пределах от 0,92 до 0,95. Некоторые распределительные энергокомпании поощряют работу при коэффициенте мощности, к примеру, больше 0,9, а некоторые штрафуют потребителей за низкий коэффициент мощности. Имеется много методов достижения данной цели, суть которой сводится к тому, что для снижения потерь энергии в системе распределения потребителю рекомендуется применять коррекцию коэффициента мощности. В настоящее время большинство сетевых компаний штрафуют потребителей при коэффициенте мощности ниже 0,95 или 0,9.

Необходимость повышения коэффициента мощности

При должным образом выполненной коррекции коэффициента мощности достигаются следующие преимущества:

• экологические: снижение потребления электроэнергии за счёт повышения эффективности её использования. Снижение потребления приводит к уменьшению выбросов парниковых газов и замедлению истощения ресурсов ископаемого топлива для электростанций;
• уменьшение расходов на электроэнергию;
• возможность получения большей мощности от имеющегося источника;
• снижение тепловых потерь в трансформаторах и оборудовании распределения;
• уменьшение падения напряжения в длинных кабелях;
• увеличение срока службы оборудования в связи со снижением электрической нагрузки на кабели и другие электрические компоненты.

Методы улучшения коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) достигается установкой конденсаторов параллельно двигателю или схеме освещения, которые могут устанавливаться на оборудовании, распределительном щите или на вводе в электроустановку.

Статическая компенсация реактивной мощности может быть достигнута для каждого отдельного двигателя при подключении компенсирующих конденсаторов к пускателю двигателя. При этом при изменении нагрузки двигателя может наблюдаться недо- или перекомпенсация. Статическая компенсация реактивной мощности не должна применяться на выходе регулируемого привода, электронного устройства плавного пуска или преобразователя, так как конденсаторы могут стать причиной выхода из строя электронных компонентов.

При правильно рассчитанной компенсации реактивной мощности не должно быть перекомпенсации. Обычно компенсация реактивной мощности отдельного двигателя рассчитывается исходя из реактивной (намагничивающей) мощности, так как она сравнительно постоянна в отличие от активной мощности, это позволит избежать перекомпенсации.

При применении управления компенсацией реактивной мощности в схеме звезда/треугольник необходимо обратить внимание на то, чтобы конденсаторы не работали в режиме частого подключения и отключения. Обычно устройство компенсации подключается к сети или цепям контактора переключения на треугольник. Устройство компенсации реактивной мощности, подключаемое на вводе электроустановки, состоит из контроллера, измеряющего реактивную мощность и коммутирующего конденсаторы для поддержания значения коэффициента мощности выше заданного значения (обычно 0,95). При применении общей компенсации реактивной мощности другие нагрузки теоретически могут устанавливаться в любом месте сети.

Повышение коэффициента мощности в промышленных сетях

Повышение коэффициента мощности промышленного предприятия сводится в основном к рационализации работы основных потребителей реактивной мощности — асинхронных двигателей и трансформаторов.

Рис.1. Зависимость средних значений к.п.д. от мощности (для асинхронных двигателей открытого и защищенного типов).

Рис. 2. Зависимость средних значений cos φ от мощности (для асинхронных двигателей открытого и защищенного типов).

Ниже приводятся основные мероприятия, направленные к рационализации работы асинхронных двигателей:

1. Замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности или замена на двигатели той же мощности, но с улучшенными характеристиками.

При замене двигателя двигателем меньшей мощности часто потери активной мощности из-за более низкого номинального к. п. д. но­вого двигателя могут остаться неизменными или же увеличиться (рис.1), а потребление реактивной мощности в ряде случаев умень­шиться (рис.2). Поэтому следует проверить целесообразность замены двигателей. Кроме того, следует учесть стоимость монтажных работ при замене двигателя.

Пример. Для привода центробежного наcoca установлен двигатель типа АД-82/2, который имеет следующие данные: Р = 60 кВт; U_н4 = 380 В; η_н = 0,895; cos φ_н = 0,91; Т= 4 000 час/год.
Стоимость электроэнергии 2 pyб/кВтч — k_э = 0,1. Предположим, что фактическая за­грузка двигателя Р = 30 кВт при cosφ₁ = 0,81, η₁ = 0,87 и Q₁ = 24,7 кВАр.
Определить целесообразность замены ука­занного двигателя на двигатель типа АД-72/2, имеющего данные: Р_н = 35 кВт; U_н = 380 В; η_н = 0,89; cosφ_н = 0,90; I₀ = 23,0 а.

Коэффициент загрузки двигателя АД-72/2 Р
, к.п.д. при этом .
Реактивная мощность, потребляемая дви­гателем, определяется формулой
где Q₀ — потребляемая реактивная мощность холостого хода. В данном случае
Следовательно,
Уменьшение потерь активной мощности в самом двигателе при замене находим из выражения
Так как , то замена целесообразна при любом k_э
Общая экономия потерь активной мощности равна:
Годовую экономию получим:

Следовательно, в данном случае такая замена двигателей целесообразна и дает значитель­ную годовую экономию.

Рис.3. Принципиальная схема переключения статорной обмотки асинхронного двигателя с трех параллельных ветвей на две.

2. Понижение рабочего напряжения для двигателей, работающих с малыми коэффициентами загрузки, путем:

1) Переключения малозагруженных двигателей (при загрузке 35% и ниже) напряжением 127/220 и 220/380 В с треугольника на звезду с помощью специальных переключателей или постоянной перепайкой статорных обмоток. Для двигателей с часто изменяющейся нагрузкой применяются автоматические переключатели с треугольника на звезду и обратно.

2) Секционирование статорных обмоток двигателей, загруженных до 50% номинальной мощности (рис. 3). Это мероприятие на практике осложняется необходимостью изготовления переключателей и перемотки обмотки с устройством до 18 выводов для их перепайки или их присоединения к переключателю. Коэффициент мощности при этом повышается с 0,5 до 0,8.

3) Понижение напряжения фабрично-заводских силовых сетей путем переключения ответвлений понижающих цеховых трансформаторов для случая, когда все двигатели в цехе мало загружены и питаются от одного и того же трансформатора.

Рис. 4. Диаграмма для нахождения показателя эффективности Э в зависимости от мощности х.х. электропривода.

3. Ограничение времени работы двигателей на х. х., которое осуществляется на практике чаще всего с помощью автоматических ограничителей.

Если межоперационное время превышает 10 сек., применение ограничителей х. х. дает экономию активной и реактивной энергии, которая подсчитывается из выражений

где z — число технологических циклов в час;
Р_н — номинальная мощность двигателя, кВт;

Э — коэффициент эффективности, опреде­ляемый по диаграмме рис. 4 в зави­симости от мощности х. х. двигателя, измеряемой ваттметром;

Э_р — коэффициент эффективности, опреде­ляемый по диаграмме рис. 5 в зави­симости от номинального коэффициента мощности двигателя;

Т_всп — продолжительность вспомогательного времени, сек/цикл.

Рис.5 Диаграмма для нахождения показателя эффективности Эр, определяемого в зависимости от номинального коэффициента мощности асинхронного двигателя.

Пример. Станок револьверный типа Р-136. Двигатель АД-42/4;
Р_н =5,8 кВт; cos φ_н = 0,86; P₀ = 1,25 кВт; режим: Т_всп = 16 сек.;
z = 38 циклов/час;
находим по диаграмме рис. 4 Э = 0,175, тогда
По cos φ_н = 0,86 и
находим из диаграммы рис. 5 Э_р=0,355, тогда

4. Повышение качества ремонта асинхрон­ных двигателей. Выпуск из ремонта двигате­лей с большой неравномерностью загрузки от­дельных фаз с увеличенным током х. х. или с отклонением от заводских обмоточных данных вызывает значительное повышение потребле­ния двигателями реактивной мощности из сети.

5. Рационализация работы трансформато­ров, заключающаяся в замене и перегруппи­ровке их, а также отключении трансформато­ров во время работы на холостом ходу.

Если при этом потребление реактивной мощности снижается, а потери активной мощ­ности увеличиваются или наоборот, то следует решить целесообразность замены и перегруппировки транс­форматоров.

Способы повышения коэффициента мощности за счёт рационализации работы токоприемников

Повышение коэффициента мощности промышленного предприятия сводится в основном к рационализации работы основных потребителей реактивной мощности — асинхронных двигателей и трансформаторов [5].

Приведём основные мероприятия, направленные к рационализации работы асинхронных двигателей:

1. Замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности или замена на двигатели той же мощности, но с улучшенными характеристиками.

При замене двигателя двигателем меньшей мощности часто потери активной мощности из-за более низкого номинального КПД нового двигателя могут остаться неизменными или же увеличиться (рисунок 1), а потребление реактивной мощности в ряде случаев уменьшиться (рисунок 2). Поэтому следует проверить целесообразность замены двигателей. Кроме того, следует учесть стоимость монтажных работ при замене двигателя.

Рисунок 1 — Зависимость средних значений КПД от мощности (для асинхронных двигателей открытого и защищенного типов)

трансформатор токоприемник защитный отключение

Рисунок 2 — Зависимость средних значений от мощности (для асинхронных двигателей открытого и защищенного типов)

2. Понижение рабочего напряжения для двигателей, работающих с малыми коэффициентами загрузки, путем:

· переключения малозагруженных двигателей (при загрузке 35% и ниже) напряжением 127/220 и 220/380 В с треугольника на звезду с помощью специальных переключателей или постоянной перепайкой статорных обмоток. Для двигателей с часто изменяющейся нагрузкой применяются автоматические переключатели с треугольника на звезду и обратно;

· секционирование статорных обмоток двигателей, загруженных до 50% номинальной мощности (рисунок 3). Это мероприятие на практике осложняется необходимостью изготовления переключателей и перемотки обмотки с устройством до 18 выводов для их перепайки или их присоединения к переключателю. Коэффициент мощности при этом повышается с 0,5 до 0,8.

Рисунок 3 — Принципиальная схема переключения статорной обмотки асинхронного двигателя с трёх параллельных ветвей на две

3. Понижение напряжения фабрично-заводских силовых сетей путем переключения ответвлений понижающих цеховых трансформаторов для случая, когда все двигатели в цехе мало загружены и питаются от одного и того же трансформатора.

Если межоперационное время превышает 10 сек., применение ограничителей холостого хода дает экономию активной и реактивной энергии, которая подсчитывается из выражений:

где z — число технологических циклов в час;

Р_н — номинальная мощность двигателя, кВт;

Э — коэффициент эффективности, определяемый по диаграмме (рисунок 4) в зависимости от мощности холостого хода двигателя, измеряемой ваттметром;

Э_р — коэффициент эффективности, определяемый по диаграмме (рисунок 5) в зависимости от номинального коэффициента мощности двигателя;

Т_всп — продолжительность вспомогательного времени, сек/цикл.

4. Повышение качества ремонта асинхронных двигателей. Выпуск из ремонта двигателей с большой неравномерностью загрузки отдельных фаз с увеличенным током холостого хода или с отклонением от заводских обмоточных данных вызывает значительное повышение потребления двигателями реактивной мощности из сети.

5. Рационализация работы трансформаторов, заключающаяся в замене и перегруппировке их, а также отключении трансформаторов во время работы на холостом ходу. Если при этом потребление реактивной мощности снижается, а потери активной мощности увеличиваются или наоборот, то следует решить целесообразность замены и перегруппировки трансформаторов.

Рисунок 4 — Диаграмма для нахождения показателя эффективности Э в зависимости от мощности холостого хода электропривода

Рисунок 5 — Диаграмма для нахождения показателя эффективности Эр, определяемого в зависимости от номинального коэффициента мощности асинхронного двигателя

Коэффициент мощности

Постараемся дать простое объяснение того, что такое коэффициент мощности, и ответить на наиболее часто встречающиеся вопросы:

1) что такое коэффициент мощности?

2) каковы причины низкого коэффициента мощности?

3) почему следует повышать коэффициент мощности?

4) каким образом можно скорректировать (повысить) коэффициент мощности?

5) когда окупаются инвестиции в коррекцию коэффициента мощности?

6) что делать дальше?

Что такое коэффициент мощности?

Чтобы лучше уяснить, что такое коэффициент мощности, нужно начать с нескольких основных понятий:

Активная мощность (кВт), также называемая полезной мощностью или действующей мощностью. Это мощность, которая реально приводит в действие оборудование и выполняет полезную работу.

Реактивная мощность (квар). Это мощность, необходимая устройствам, принцип действия которых основан на использовании электромагнитного поля (трансформаторов, электродвигателей, реле) для вырабатывания магнитного потока.

Полная мощность (кВА). Это векторная сумма активной и реактивной мощностей.

Рассмотрим простую аналогию, чтобы лучше уяснить эти понятия.

Допустим, вы находитесь на стадионе в жаркий день и заказываете кружку своего любимого пива. Та часть вашей порции, которая утоляет жажду, представляет активную мощность (рис. 1).

Увы, жизнь несовершенна. Вместе с этим вы получаете и пену. И давайте посмотрим правде в глаза – пена нисколько не утоляет жажду. Эта пена представляет реактивную мощность. Общее содержимое кружки является суммой активной мощности (пива), кВт, и реактивной мощности (пены), квар.

Теперь, после того как мы разобрались с основными понятиями, можно перейти к коэффициенту мощности.

Коэффициент мощности (КМ) – это отношение активной мощности к полной мощности:

КМ = кВт/(кВт + квар)

Если вернуться к нашей аналогии с кружкой пива, коэффициент мощности представляет собой отношение количества пива (кВт) к общему содержимому кружки, то есть к количеству пива с пеной (кВА).

КМ = кВт/(кВт + квар) = пиво/(пиво + пена)

Таким образом, при данной полной мощности:

· чем больше пены (чем выше процент реактивной мощности), тем меньше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной) и тем меньше коэффициент мощности;

· чем меньше пены (чем ниже процент реактивной мощности), тем выше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной). Если пена (реактивная мощность) приближается к нулю, коэффициент мощности приближается к единице.

Наша аналогия с пивной кружкой немного упрощена. В реальности необходимо определять векторную сумму реактивной и активной мощностей. Поэтому следующим шагом будет рассмотрение угла между этими векторами.

Рассмотрим другую аналогию.

Человек тянет тяжёлый груз (рис. 2). Мощность, которую он прикладывает в прямом направлении, то есть в том направлении, куда он хочет доставить груз, — это активная мощность (кВт).

К сожалению, человек не может тянуть груз строго горизонтально (он получит сильные боли в спине), поэтому высота его плеч добавляет некоторое количество реактивной мощности (квар).

Полная мощность, прикладываемая человеком (кВА), – это векторная сумма реактивной и активной мощностей.

Соотношение между активной, реактивной и полной мощностями, а также определение коэффициента мощности иллюстрируются треугольником мощностей, изображённым на рис. 3.

КМ = кВт/кВА = cosθ

кВА = кВт 2 + квар 2 = V х I х.

Заметим, что в мире нашей мечты по аналогии с кружкой пива:

• реактивная мощность должна быть очень мала (количество пены стремится к нулю);
• активная мощность и полная мощность должны быть почти равны друг другу

(больше пива, меньше пены).

Аналогично в идеальном мире по аналогии с человеком, который тащит груз:

• реактивная мощность очень мала (стремится к нулю);
• активная мощность и полная мощность почти равны друг другу (человеку не нужно
• тратить энергию на усилие, направленное вдоль его тела);
• угол θ между векторами активной и полной мощности стремится к нулю;
• cosθ стремится к единице;
• коэффициент мощности стремится к единице.

Поэтому чтобы иметь эффективную систему (будь то кружка пива или человек, который тащит тяжёлый груз), мы должны иметь коэффициент мощности, как можно более близкий к 1,0.

Однако бывает, что система распределения электроэнергии имеет коэффициент мощности гораздо меньше 1,0. Далее мы увидим, к чему это приводит.

Каковы причины низкого коэффициента мощности?

Так как коэффициент мощности является отношением активной мощности к полной мощности, легко понять, что к низкому коэффициенту мощности приводит ситуация, когда активная мощность невелика по сравнению с полной мощностью. Вспоминая нашу аналогию с пивной кружкой, можем сказать, что это бывает, когда уровень реактивной мощности (пены, плеч работника) велик.

Что приводит к большой величине реактивной мощности?

Индуктивные нагрузки, которые являются причиной возникновения реактивной мощности, включают в себя:

• трансформаторы,
• асинхронные электродвигатели,
• асинхронные генераторы (ветряные электрогенераторы),
• системы освещения на разрядных лампах высокой интенсивности.

Такие индуктивные нагрузки потребляют основную часть мощности в производственных комплексах.

Реактивная мощность (квар), необходимая реактивным нагрузкам, увеличивает количество полной мощности (кВА) в системе распределения энергии (рис. 4). Это увеличение реактивной и полной мощности приводит к увеличению угла θ между активной и полной мощностью. Напомним, что cosθ (или коэффициент мощности) приувеличении θ уменьшается.

Таким образом, причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки с большой реактивной мощностью.

Почему следует повышать коэффициент мощности?

Есть несколько причин для увеличения коэффициента мощности. Вот некоторые преимущества, которые можно получить при улучшении коэффициента мощности.

1.Снижение платы поставщику электроэнергиив связи со следующими факторами:

a) Уменьшение величины максимальной мощности, предъявляемой к оплате.

Напомним, что причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки, которым нужна реактивная мощность. Увеличение реактивной мощности приводит к увеличению полной мощности, потребляемой от поставщика электроэнергии.

Таким образом, низкий коэффициент мощности предприятия вынуждает поставщика увеличивать мощность генерации и пропускную способность линии, чтобы справиться с дополнительным потреблением.

При увеличении коэффициента мощности используется меньше реактивной мощности. Это приводит к уменьшению активной мощности, то есть к снижению платы поставщику.

б) Исключение штрафа за коэффициент мощности.

Поставщики электроэнергии обычно выставляют дополнительный счёт потребителям, если их коэффициент мощности меньше 0,95 (если коэффициент мощности потребителя падает ниже 0,85, некоторые поставщики не гарантируют энергоснабжение). Таким образом, при увеличении коэффициента мощности можно избежать повышенных расходов на электроэнергию.

2.Увеличение пропускной способности системы энергоснабжения и уменьшение потерь электроэнергии

При добавлении в систему конденсаторов (являющихся источниками реактивной мощности) увеличивается коэффициент мощности и улучшается пропускная способность системы для активной мощности.

К примеру, трансформатор 1000 кВА с коэффициентом мощности 80% выдаёт мощность 800 кВт (600 квар):

1000 кВА =

Отсюда реактивная мощность – 600 квар.

При увеличении коэффициента мощности до 90% можно получить более высокую активную мощность при той же величине полной мощности:

1000 кВА =

Отсюда реактивная мощность – 436 квар.

Активная мощность системы увеличивается до 900 кВт, при этом потребляемая от поставщика реактивная мощность составляет только 436 квар.

Нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности системы распределения электроэнергии. При увеличении коэффициента мощности эти потери уменьшаются. В связи с продолжающимся ростом стоимости энергии повышение энергоэффективности предприятия имеет очень большое значение. При уменьшении потерь в системе появляется возможность подключения к ней дополнительной нагрузки.

3. Увеличение уровня напряжения в энергосистеме, уменьшение нагрева и более эффективная работа электродвигателей

Как уже говорилось, нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в системе распределения электроэнергии. При этом может снижаться уровень напряжения. Чрезмерное падение напряжения может стать причиной перегрева и преждевременного выхода из строя электродвигателей и других индуктивных устройств.

Поэтому при увеличении коэффициента мощности падение напряжения на фидерных кабелях и связанные с этим проблемы минимизируются. Двигатели будут меньше нагреваться и работать более эффективно, также несколько увеличатся их мощность и пусковой момент.

Как можно скорректировать (улучшить) коэффициент мощности?

Как упоминалось выше, источники реактивной мощности (индуктивные нагрузки) уменьшают коэффициент мощности. К таким нагрузкам относятся:

• трансформаторы
• асинхронные электродвигатели
• асинхронные генераторы (ветряные электрогенераторы)
• системы освещения на разрядных лампах высокой интенсивности.

Соответственно, потребители реактивной мощности увеличивают коэффициент мощности. К ним относятся:

• конденсаторы
• синхронные генераторы (энергоснабжения и аварийные)
• синхронные двигатели.

Поэтому нет ничего удивительного, что одним из методов увеличения коэффициента мощности является установка в систему конденсаторов. Этот и другие способы увеличения коэффициента мощности рассматриваются далее.

1. Установка конденсаторов (генераторов реактивной мощности).

При установке конденсаторов уменьшается величина реактивной мощности (пены из нашего примера), при этом увеличивается коэффициент мощности. На рис. 5 показан принцип действия этого метода.

Реактивная мощность (квар) индуктивных нагрузок всегда имеет сдвиг на 90º относительно активной мощности (кВт).

Индуктивность и ёмкость действуют со сдвигом на 180º относительно друг друга. Конденсаторы запасают реактивную энергию и затем её отдают со знаком, противоположным знаку реактивной энергии индуктивности. Наличие в цепи конденсатора и индуктивности приводит к постоянному поочерёдному перетеканию энергиимежду ними.

Поэтому, если схема сбалансирована, вся энергия, отдаваемая индуктивностью, поглощается конденсатором. Ниже приводится пример того, как конденсатор уменьшает влияние индуктивной нагрузки.

2. Минимизация работы двигателей на холостом ходу или с малой нагрузкой.

Мы уже говорили о том, что причиной низкого коэффициента мощности является наличие асинхронных двигателей. Но если говорить более конкретно, к низкому коэффициенту мощности приводит работа асинхронных двигателей с малой нагрузкой.

3. Недопущение работы оборудования при напряжении, превышающем его номинальное напряжение.

4. Замена стандартных двигателей по мере их выхода из строя на двигатели с повышенным кпд.

Даже у двигателей с повышенным кпд нагрузка сильно влияет на коэффициент мощности. Поэтому для реализации заложенного в его конструкцию высокого коэффициента мощности двигатель должен работать с нагрузкой, близкой к номинальной.

Когда окупаются инвестиции в коррекцию коэффициента мощности?

При установке конденсаторов на предприятии можно улучшить коэффициент мощности. Но установка конденсаторов стоит денег. Возникает вопрос: когда снижение платежей за электроэнергию окупит стоимость конденсаторов?

Можно провести расчёт окупаемости. В качестве примера рассмотрим часть энергосистемы предприятия, показанную на рис. 6. Коэффициент мощности составляет 0,65.

• нагрузка – 163 кВт;
• время работы — 730 часов в месяц;
• 480 В, 3 фазы;
• потери в системе — 5%;
• коэффициент мощности — 65%;

прейскурант тарифов на электроэнергию:

• тариф на электроэнергию — $4,08/кВт·ч;
• плата за мощность — $2,16/кВт;
• штраф за реактивную мощность — $0,15/квар.

Мы можем рассчитать общую величину ежемесячной платы за электроэнергию следующим образом.

Сначала рассчитаем плату за потреблённую энергию:

163 кВт х 730 ч/мес. х $4,08/кВт·ч = $4854,79/мес.

Затем определяем плату за мощность:

163 кВт х $2,16/кВт = $352,08/мес.

И, наконец, определяем штраф за реактивную мощность:

190 квар х 730 ч/мес. х $0,15/квар·ч = $208/мес.

Теперь предположим, что в систему установлена конденсаторная батарея (рис. 7). 190 квар конденсатора компенсируют 190 квар асинхронного двигателя икоэффициент мощности становится равным 1,0.

Параметры системы с конденсаторами:

• скорректированный КМ = 1,0

Можно рассчитать снижение потерь:

снижение потерь = 1- (0,65 2 / 1,00 2 ) = 0,58

Поэтому снижение потерь в системе составит:

снижение потерь в системе = 0,58 х 0,05 (потери) = 0,029

Уменьшение общей активной нагрузки составит:

163 кВт х 0,029 = 4,7 кВт

Теперь можно рассчитать экономию при оплате за потреблённую энергию:

4,7 кВт х 730 ч/мес. х $4,08/кВт·ч = $141,00/мес

Затем определяем экономию на плате за мощность:

4,7 кВт х $2,16/кВт = $10,15/мес

И, наконец, напомним, что штраф за реактивную мощность равен нулю.

Теперь определим срок окупаемости конденсаторной батареи.

• Стоимость конденсатора — $30,00/квар.

Месячная экономия составляет:

$ 141,00 – стоимость потреблённой энергии

$ 10,15 – плата за мощность

$ 208,00 – штраф за реактивную мощность

Время окупаемости затрат составляет:

$30,00/квар х 190 квар/$359/мес. = 16 мес.

Установка конденсаторов окупится через 16 месяцев.

Что делать дальше?

Нужно посмотреть какой коэффициент мощности на предприятии и что можно сделать, чтобы его улучшить.

«Хомов электро» может помочь в определении оптимального способа коррекции коэффициента мощности для вашего предприятия. Мы также можем помочь выбрать место установки и тип конденсаторов, устанавливаемых в системе энергоснабжения.

Вы всегда можете позвонить нам или отправить сообщение по факсу или электронной почте, а также обратиться через наш веб-сайт.

Мы всегда рады обсудить проблемы, связанные с конкретными условиями работы вашего предприятия.