Продольная компенсация реактивной мощности - физический смысл и техническая реализация

Содержание

Средства компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения.

Все средства компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения условно делят на пассивные и активные, причем реализация пассивных средств приводит к уменьшению объемов потребляемой реактивной мощности, а активные средства генерируют реактивную мощность и интегрируются в электрические сети в соответствии с оптимальным способом компенсации.

Пассивные средства компенсации реактивной мощности.

Типовыми средствами компенсации реактивной мощности, используемыми для разгрузки сети по реактивным токам, сегодня являются:

организационно-технические мероприятия по оптимизации административных, производственных и технологических процессов, позволяющие обеспечить улучшение энергетического режима работы энергоприемников – оборудования, устройств, систем. Это замена устаревшего не энергоэффективного оборудования, модернизация систем освещения, контроля и управления процессами, не одновременное, а распределенное (несмимметричное) пол времени включение реактивных нагрузок, оптимизация режима работы подразделений и т.д. и т.п;
использование переключения с треугольника на звезду статорных обмоток асинхронных двигателей с загрузкой в часы работы менее, чем на 40%;
снижение объемов потребляемой реактивной мощности за счет отключения асинхронных двигателей, работающих на холостом ходу, а также вывода из эксплуатации (или отключения) трансформаторов с загрузкой менее, чем на треть;
применение в проектах и замена в действующих приводах асинхронных двигателей синхронными, где это допустимо в техническом и технологическом аспектах;
модернизация приводов с применением тиристорного управления регулированием напряжения, преобразователей с заменой на модели с большим числом фаз выпрямления;
интеграция в электрические сети систем с искусственной коммутацией вентилей или ограничениями по генерации токов высших гармоник;
применение в новых сегментах электрической сети и поэтапная замена действующих реактивных нагрузок на оборудование, устройства, сертифицированные по энергосбережению.

Активные средства компенсации реактивной мощности.

К активным средствам компенсации реактивной мощности, генерирующим реактивную энергию в электрические сети, относят:

единичные косинусные конденсаторы и конденсаторные батареи, применяемые в способах индивидуальной и групповой компенсации реактивной мощности;
конденсаторные батареи с коммутационной аппаратурой, средствами защиты и управления – комплектные установки повышения коэффициента мощности – нерегулируемые и автоматические с релейными контакторами;
синхронные двигатели и их разновидность – синхронные компенсаторы, работающие без нагрузки на валу и используемые для стабилизации напряжения в точке подключения в пределах интервала ±5% от номинального значения;
многоступенчатые установки коррекции коэффициента мощности на конденсаторных батареях и с тиристорными ключами. Установка устройств с тиристорными ключами дает возможность снизить броски тока при включении ступеней — конденсаторных батарей и риски перенапряжения при отключении ступеней;
статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности — мостовые генераторы реактивной мощности с индуктивным накопителем, реакторы насыщения с нелинейной или линейной вольтамперной характеристикой, а также последовательным подключением встречно-параллельных управляемых вентилей – работающие принципу прямой и косвенной компенсации.
тиристорные компенсаторы реактивной мощности для сетей с резкопеременной нагрузкой напряжением 6-10 кВ, тиристорно-реакторные группы для ЛЭП и т.д.

Разбор экономических аспектов компенсации реактивной мощности

Экономия на оплате электроэнергии

Во-первых, большинство потребителей – частных, коммерческих и промышленных – не платят за потреблённую реактивную мощность, а платят только за активную, т.е. не за пиво с пеной, а только за пиво. Поэтому снижение реактивной мощности (кВАр) не позволит напрямую снизить плату за активную энергию (кВт).

Во-вторых, промышленные потребители при подключении к электросетям единовременно платят за выделение мощностей – за строительство подстанции и за подведение кабельных сетей. Поэтому если вам нужно много пива, а покупать новый стакан дорого, имеет смысл снизить уровень пены: это мера временная, но действенная.

В-третьих, промышленные потребители платят не только за поставленную мощность, но и за выделенную, т.е. полную мощность, которая измеряется в кВА и состоит из активной и реактивной. Тут тоже актуально снизить полную мощность, скомпенсировав реактивную.

Снижение потерь электроэнергии

Проходя через систему электроснабжения, часть мощности теряется в виде нагрева проводов, трансформаторов и оборудования. Эти потери омические, то есть расходуется активная мощность (кВт). Но следует учесть, что доля потерь во внутренней сети электроснабжения по причине нескомпенсированной реактивной мощности вряд ли достигает единиц процентов. Ими можно пренебречь на фоне изменчивого напряжения в сети питания, провалов напряжения, гармонических искажений, взаимного влияния нелинейной или резко переменной нагрузки и других проблем электросети, которые вызывают нерациональное использование электроэнергии.

Как возместить реактивную мощность – пример с бокалом

Определение

Реактивная мощность не выполняет полезной работы. Она обусловлена наличием у потребителя индуктивной или ёмкостной составляющей нагрузки. На предприятиях реактивная мощность возникает при работе электрических двигателей, трансформаторов или ламп ДРЛ. В домашних условиях это моторы пылесосов, стиральных машин или компрессоров холодильников. На корпусе данных агрегатов часто можно увидеть параметр cosф, называемый коэффициентом мощности. Он количественно характеризует долю реактива.

Обратите внимание! Cosф – параметр крайне нестабильный. Он способен меняться в широком диапазоне с течением года и временем суток

Также коэффициент мощности тесно связан с будними и выходными днями.

Бирка на двигателе

Все перечисленное служит примером источников индуктивной составляющей. Гораздо реже встречается ёмкостная. К её примерам относятся мощные импульсные блоки питания и всё, что во входной части содержит конденсаторы.

Статический тиристорный компенсатор реактивной мощности

На многих промышленных предприятиях для улучшения гармонического состава сети устанавливаются фильтро-компенсирующие устройства ФКУ. Они не только улучшают гармонический состав сети, но и компенсируют реактивную энергию, улучшая тем самым коэффициент мощности сети cosφ.

На предприятиях с резко-переменной нагрузкой при отключении какого-либо из потребителей могут возникать проблемы с тем, что cosφ может становиться больше единицы. Для того чтобы не отдавать реактивную мощность обратно в сеть необходимо отключить фильтр от цепи, как делается при секционном регулировании в конденсаторных установках. Но если отключить фильтр от цепи, он перестанет сглаживать гармоники, то есть теряется смысл его установки. Разбивать ФКУ на секции и вводить посекционно — дорого, требует огромных площадей и большого числа коммутационной аппаратуры. Для решения этой задачи был создан статический компенсатор реактивной мощности или декомпенсатор.

Он состоит из тиристорного регулятора напряжения (ТРН) и реактора, подключенного через вентильный ключ к цепи. Мощности реактора и ФКУ равны. При изменении cosφ>1 тиристорный регулятор увеличивает ток реактора, чем увеличивает реактивную составляющую потребляемую этими реакторами, тем самым выравнивая баланс мощности в заданном диапазоне. На рис.1 приведена схема этого устройства

Рис.1 Схема включения статического компенсатора

Главным достоинством статического компенсатора является быстрое и плавное изменение реактивной составляющей цепи. При его применении можно регулировать cosφ в заданных пределах в автоматическом режиме.

Статический тиристорный компенсатор со шкафом управления не может быть расположен на улице, они всегда располагаются в помещении. ФКУ может быть расположено как в помещении, так и снаружи. Фильтры и реакторы могут соединяться шинами или кабелями в зависимости от токов и напряжений установок. На рис.2 показан пример размещения оборудования

Рис.2 Схема размещения оборудования

Как видно из рис.2 в помещении находится система управления статическим компенсатором и вентильный ключ. Через шины он соединяется с реакторами и фильтрами высших гармоник, которые находятся на улице.

Система охлаждения тиристорного регулятора, как правило воздушная. Она дешевле жидкостной, легче в эксплуатации, не требует дополнительных узлов электроники, механики, вращающихся компонентов. Также, воздух, проходящий через вентиляционные шахты, преобразователя охлаждает не только силовые модули, но и R-C цепи (служащие для защиты тиристоров от перенапряжений) и другие элементы. Если токи слишком большие, а размеры аппаратуры ограничены, применяют жидкостное охлаждение.

Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности автоматизированы. Управление осуществляется как в автоматическом режиме, так и в ручном с панели оператора. Данные о работе устройства могут записываться в память статического тиристорного компенсатора и таким образом вести учет компенсируемой энергии за промежуток времени, а также хранится данные о всех неисправностях, методах их устранения. Это очень удобно для анализа потребляемой энергии, статистических данных по электроснабжению, а также проводить качественный анализ сети в различных режимах работы.

Вывод: статический тиристорный компенсатор очень удобен для предприятий с наличием высших гармоник и резко-переменной нагрузкой. Он позволяет плавно регулировать реактивную энергию в цепи, а также фильтровать высшие гармоники, улучшая тем самым качество сети.

Расчет и компенсация реактивной мощности. Компенсация реактивной составляющей.

Поскольку реактивная энергия оказывает влияние на работу электрооборудования, имеющего индуктивные и емкостные электропотребители, для них применяются специальные компенсирующие устройства. Схема действия компенсации основана на способностях емкостных и индуктивных нагрузок сдвигать фазы в противоположные направления. Ввиду того, что основную часть реактивной энергии создают индуктивности, для ее компенсации используют конденсаторы большой емкости, присоединяемые параллельно нагрузке. Казалось бы что вопрос решен. Но на практике, на производстве с большим процентом электродвигателей не все так гладко. Электромоторы на конвейерах и другом оборудовании не включаются все сразу, а работают по своему алгоритму. В иные моменты одновременно могут находиться в работе как большое, так и минимальное количество электропотребителей этого типа. А перекомпесация не менее вредна недокомпенсации.

Это интересно – «Защита электрооборудования от перенапряжения».

И поэтому, подключением конденсаторных блоков управляет контроллер на микропроцессоре, измеряющий реактивную энергию в каждый момент времени. И в зависимости от потребности, выбирает и присоединяет к потребителям определенное количество конденсаторов.

Автоматическая установка компенсации реактивной энергии УКРМ.

Определение емкости конденсаторов

При проектировании УКРМ следует уделить внимание расчету ёмкости и мощности конденсаторных установок

Важно это по той причине, что в случае неправильного выбора этих параметров установка может нанести электросети больше вреда, чем пользы. Формула для расчета необходимой ёмкости конденсатора имеет следующий вид

Формула для расчета необходимой ёмкости конденсатора имеет следующий вид.

Ёмкость конденсатора

Здесь:

C – ёмкость конденсаторной установки, Ф;
U – сетевое напряжение, В;
f – частота, Гц;
Q – реактивная мощность конденсатора, вар;
p – 3.14.

Переменная Q, в свою очередь, определяется по следующему выражению.

Реактивная мощность конденсатора

Где:

P – активная мощность потребителя;
К – коэффициент, подбираемый из таблицы.

Таблица для расчёта УКРМ

Дополнительная информация. На просторах интернета полно ресурсов, содержащих в себе калькуляторы для онлайн расчета различных параметров компенсаторов.

Виды компенсаторов и их принцип действия

Чаще всего в роли компенсирующего устройства применяется либо батареи конденсаторов, либо двигатели. При этом может использоваться как один компенсатор, так и множество подключенных параллельно.

В течение дня баланс мощности в сети может изменяться, на что УКРМ должно реагировать соответствующим образом. С этой точки зрения компенсаторы бывают:

нерегулируемые – без возможности переключения составных элементов;
автоматические – компенсатор сам отслеживает cosф, производит расчеты и решает, какое количество конденсаторов следует добавить в схему;
с ручным управлением – человек сам анализирует cosф по приборам и производит соответствующие переключения.

В зависимости от условий эксплуатации выделяют следующие типы коммутирующих устройств:

контакторные – только статические переключения;
тиристорные – работа в реальном времени;
вакуумные выключатели – для напряжений свыше 1 кВ.

Основные компоненты УКРМ

Что такое коэффициент мощности

Для компенсации индуктивной составляющей реактивной мощности применяют конденсаторные установки. Иногда их объединяют в целые батареи и оснащают различной коммутирующей аппаратурой. Она необходима для автоматического переключения конденсаторов с целью повышения или понижения конечной ёмкости батареи. Дополнительно требуется к.л. измерительный прибор для отслеживания коэффициента мощности cosф и прочих параметров УКРМ. На сегодняшний день такие контроллеры выполняются на основе микропроцессоров, которые делают всю работу без вмешательства человека.

Конденсаторный компенсатор

Ёмкостная составляющая компенсируется похожим образом. Здесь уже в качестве выравнивающего cosф устройства выступают синхронные двигатели или специальные реакторы (катушки, дроссели). Ёмкостная составляющая свойственна протяжённым кабельным и воздушным линиям, а не самому промышленному оборудованию.

Расчет реактивной электроэнергии

Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент.

Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7.

Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом. Баланс активной и реактивной мощности в цепи может быть наглядно представлен в виде этого забавного рисунка:

Расчет и компенсация реактивной мощности. Расчет реактивной мощности.

Если с постоянным током при определении мощности проблем нет, то с переменным начинают твориться чудеса. По отношению к резистивным нагрузкам (нагревательные элементы, лампы накаливания) переменный электроток ведет себя также как и постоянный. Но когда в цепи появляются индуктивные (трансформаторы, дроссели, электродвигатели) и емкостные (конденсаторы) электронагрузки – возникают паразитные токи, не только не участвующие в полезной работе, но и создающие ей помехи. В индуктивностях ток начинает отставать от напряжения, а в емкостях наоборот – опережает. Это называется сдвигом фаз, угол которых принято обозначать символом ϕ.

В итоге, мощность разделяется на активную и реактивную. Первая участвует в работе, а реактивная или ничего не делает или мешает. Зависимость угла сдвига фаз принято выражать через cos ϕ.

COS φ = Р/S

Где Р – активная мощность, S – реактивная. Это отношение называется коэффициентом мощности (Pf) и может варьироваться от 0 до 1. И чем эта величина ближе к единице, тем меньше реактивная мощность, а значит выше КПД.

Также читайте – «Время-токовые характеристики автоматов».

Опираясь на то, что S находится в зависимости от угла ϕ, мы имеем возможность сделать ее расчет по формуле:

Q = U*I*sinφ.

Где Q– реактивная составляющая, единицей измерения является вар или квар.

А по формуле:

P = U*I*cosφ — производят расчет активной составляющей.