CC BY
67
УДК 622.08.05. 52
В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ), В.С. Косырихин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (Россия. Тула, ТулГУ),
СРЕДСТВА ГЕНЕРАЦИИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ СИСТЕМАХ
Рассматриваются вопросы применения регулирующих устройств реактивной мощности в электропитающих системах
На промышленных предприятиях в настоящее время имеются
потребители электроэнергии, большинство которых содержат такие
элементы, работа которых основана на использовании магнитного поля.
Такие элементы потребляют реактивную мощность (асинхронные
электродвигатели, трансформаторы, дроссели, электромагниты переменного
тока и т.п.). Потребителями реактивной мощности являются также линии
передачи электроэнергии (воздушные и кабельные). Общее потребление
реактивной мощности промышленными предприятиями является достаточно
большим. Так, например, из всей реактивной мощности, потребляемой
приёмниками электроэнергии на промышленных предприятиях и на других
аналогичных объектах, около 45 % мощности приходится на силовые
трансформаторы, 35 % - на асинхронные машины, 13 % - на электрические
сети и всего 7 % - на прочие электроустановки. Потребление реактивной
мощности промышленными объектами приблизительно только всего на 30 %
может покрываться синхронными генераторами электростанций,
работающими на коэффициенте мощности около 85 %, и приблизительно на
12 % - ёмкостью воздушных линий электропередачи энергосистемы. В связи
с этим актуальной задачей при проектировании и эксплуатации систем
электроснабжения промышленных объектов является уменьшение
потребляемой реактивной мощности. Кроме того, уменьшение потоков
реактивной мощности приводит к существенному снижению потерь
электроэнергии в системах электроснабжения.
Для решения указанной задачи в настоящее время на промышленных
предприятиях имеются две возможности:
уменьшение реактивной мощности приёмников электроэнергии;
установка местных источников реактивной мощности.
Магнитный поток электромагнитных устройств и аппаратов
переменного тока выражается следующей зависимостью
^ kU Ф =-,
4fw
где U - приложенное напряжение; f - частота переменного тока; w - число витков обмотки;
к - коэффициент, зависящий от схемы и конструктивного исполнения обмотки, от насыщения магнитной цепи и от потерь напряжения в обмотке.
Реактивная мощность пропорциональна квадрату магнитного потока, или, как следует из вышеприведенной зависимости, квадрату приложенного напряжения U или виткового напряжения U/w. Следовательно, для снижения потребляемой реактивной мощности могут использоваться:
снижение приложенного напряжения (например, путём использования полупроводниковых или других регуляторов напряжения);
переключение трёхфазных обмоток, нормально включённых в треугольник, в звезду, что приводит к уменьшению фазного и виткового напряжений в 43 раз (применение этого способа возможно, например, в случае асинхронных машин напряжением 380/660 В, подключенных к сети напряжением 380 В);
переход от параллельного соединения секций обмоток на последовательное соединение, в результате чего, например, в случае двух секций секционное и витковое напряжения уменьшаются в два раза;
увеличение числа витков при замене обмоток (во время их ремонта). Однако в этом случае необходимо учитывать то обстоятельство, что снижение магнитного потока приводит к уменьшению пропорционально квадрату потока развиваемых электромагнитных усилий электроустановки. Так, в случае асинхронных машин вращающий момент уменьшается практически пропорционально квадрату виткового напряжения. В связи с этим обстоятельством такие способы уменьшения реактивной мощности могут использоваться только во время недогрузки электродвигателей или других аналогичных силовых электромагнитных устройств. Например, способ переключения обмоток асинхронной машины с треугольника на звезду можно применять во время нагрузки порядка 1/3 номинальной. В случае же чередования такой нагрузки с большими нагрузками может использоваться при доказанной технико-экономической целесообразности для этих целей автоматическое переключение. Иногда такое переключение может быть использовано на время холостого хода асинхронного электропривода. Оно может оказаться более рациональным, чем отключение электропривода на время холостого хода (пусковые потери).
Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях в настоящее время являются асинхронные машины. Прежде всего, в первую очередь, необходимо уменьшить их потребляемую реактивную мощность. Первые попытки состояли в разработке соответствующих модификаций двигателей. Предлагались, например, синхронизированные асинхронные двигатели с фазным ротором (подключение ротора к источнику постоянного тока) и компенсированные асинхронные двигатели (с номинальным коэффициентом мощности Cos Ф«1). Оба эти способа приводили к ухудшению КПД и надёжности двигателей. В настоящее время они применяются практически крайне редко. Несколько лучшие результаты даёт питание асинхронной машины через
тиристорный регулятор напряжения, снабжённый микропроцессорным стабилизатором коэффициента мощности и обеспечивающий независимо от нагрузки машины Cos ф «1. При этом уменьшаются потери электроэнергии в электродвигателе, улучшаются пусковые условия, а также отпадает необходимость во внешних источниках реактивной мощности. Однако в этом случае существенно повышается стоимость электропривода.
Сложность и дороговизна повышения коэффициента мощности асинхронных машин с помощью указанных выше способов предопределили наиболее эффективный путь уменьшения реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, а именно: замена асинхронных электродвигателей там, где это возможно по технологическим условиям, на синхронные электродвигатели. Номинальный коэффициент мощности синхронных электродвигателей является опережающим (ёмкостным) и составляет обычно 0,9. Следовательно, синхронный двигатель является не потребителем, а источником реактивной мощности. Поэтому, во всех случаях, когда по электромеханическим условиям выбора электропривода синхронный двигатель равноценен асинхронному, предпочтение следует отдавать синхронному двигателю. Другим крупным потребителем реактивной мощности на промышленных предприятиях в настоящее время являются электросварочные трансформаторные устройства переменного тока, обладающие низким средним коэффициентом мощности (около 0,3). Основными средствами уменьшения реактивной мощности этих устройств считаются следующие:
автоматическое отключение электросварочных трансформаторов на время холостого хода;
применение многопостовых сварочных трансформаторов, что приводит к их более равномерной нагрузке во времени;
переход на сварку постоянным током от трёхфазных сварочных выпрямителей, чем достигается не только уменьшение реактивной мощности и повышение КПД сварочного устройства, но и повышение качества сварного шва.
В электрическом освещении заметного снижения реактивной мощности можно добиться путём перехода от дроссельных пускорегулирующих устройств разрядных ламп на электронные (в частности, на высокочастотные). Однако главными причинами такого перехода являются экономия электроэнергии в светильниках и повышение качества освещения.
В системах электроснабжения промышленных предприятий и установок потери реактивной мощности можно снизить путём уменьшения индуктивных сопротивлений элементов электроснабжения. К этому можно отнести, например:
- применение трансформаторов с малым относительным напряжением
КЗ;
- применение кабельных линий для передачи электроэнергии вместо воздушных или шинных;
- уменьшение расстояния между проводами в воздушных линиях электропередачи и между фазами шинопроводов;
- чередование фаз в многополюсных шинопроводах;
- расположение нейтральных проводников в непосредственной близости к фазным (для уменьшение потребления реактивной мощности при несимметричных и однофазных нагрузках).
Эффект снижения реактивной мощности в результате проведения таких «сетевых» мероприятий относительно мал и остаётся обычно в пределах 1 % величины снижения, допускаемого технологическим и электротехническими способами у приёмников электроэнергии. Поэтому типы и способы прокладки линий выбирают не по их минимально возможному реактивному сопротивлению, а по условиям окружающей среды, надёжности, пожаро- и электробезопасности, особенностям эксплуатации, по стойкости к токам КЗ и т.п. Однако, по возможности необходимо учитывать и приведённые выше рекомендации.
Целенаправленное регулирование реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий позволяет воздействовать на уровень напряжения у приёмников электроэнергии и в других необходимых точках электрических сетей. Поэтому при эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий и установок имеют место случаи, когда первостепенный интерес представляет не только простое уменьшение потребления реактивной мощности для снижения потерь электроэнергии в электрических сетях, а её более сложное регулирование для стабилизации напряжения во время недогрузки электрических промышленных сетей. Эта проблема, в частности, учитывается при выборе устройств автоматического управления конденсаторными батареями и другими источниками реактивной мощности.
Литература
1. Проектирование систем внутрицехового электроснабжения промышленных предприятий: Учебн. пособие./В.М. Степанов, В.С. Косырихин, Н.М.Меркулов. Тульский гос. университет. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.- 90 с.
2. Проектирование цеховых трансформаторных подстанций: Учебн. пособие. / В.М. Степанов, В.С. Косырихин, Н.М.Меркулов. Тул. гос. университет. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.- 100 с.
3. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебное пособие. / В.М. Степанов, В.С. Косырихин. Тул. гос. университет. - Тула: Изд-во «Шар», 2002.- 120 с.
4. Потери мощности и их снижение. Учебное пособие. / В.М. Степанов, В.С. Косырихин. Тул. гос. университет. - Тула: Изд-во «Шар», 2002. - 130 с.
