Большая часть современных потребителей электронной энергии имеют индуктивный нрав нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных движков, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток нужен для сотворения вращающегося магнитного поля у электронных машин и переменного магнитного потока трансформаторов.

Активная мощность таких потребителей при данных значениях тока и напряжения находится в зависимости от cosφ:

P = UICosφ, I = P / UCosφ

Понижение коэффициента мощности приводит к повышению тока.

Косинус фи в особенности очень понижается при работе движков и трансформаторов вхолостую либо при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей употребляется не стопроцентно. С уменьшением cosφ существенно растут энергопотери на нагрев проводов и катушек электронных аппаратов.

К примеру, если активная мощность остается неизменной, обеспечивается током 100 А при cosφ=1, то при снижении cosφ до 0,8 и той же мощности сила тока в сети растет в 1,25 раза (Iа = Iсети х cosφ, Iс = Iа / cosφ ).

Утраты на нагрев проводов сети и обмоток генератора (трансформатора) Pнагр = I²сети х Rсети пропорциональны квадрату тока, другими словами они растут в 1,25² = 1,56 раза.

При cosφ= 0,5 сила тока в сети при той же активной мощности равна 100 / 0,5 = 200 А, а утраты в сети растут в 4 раза (!). Растут утраты напряжения в сети, что нарушает нормальную работу других потребителей.

Счетчик потребителя во всех случаях отсчитывает одно и то же количество потребляемой активной энергии в единицу времени, но в последнем случае генератор подает в сеть силу тока, в 2 раза огромную, чем в первом. Нагрузка же генератора (термический режим) определяется не активной мощностью потребителей, а полной мощностью в киловольт-амперах, другими словами произведением напряжения на силу тока, протекающего по обмоткам.

Если обозначить сопротивление проводов полосы Rл, то утраты мощности в ней можно найти так:

Таким макаром, чем выше потребителя, тем меньше утраты мощности в полосы и дешевле передача электроэнергии.

Коэффициент мощности указывает, как употребляется номинальная мощность источника. Так, для питания приемника 1000 кВт при φ= 0,5 мощность генератора должна быть S = P / cosφ = 1000 / 0,5 = 2000 кВА, а при cosφ = 1 S = 1000 кВА.

Как следует, увеличение коэффициента мощности наращивает степень использования мощности генераторов.

Для увеличения коэффициента мощности (cosφ) электронных установок используют компенсацию реактивной мощности.

Роста коэффициента мощности (уменьшения угла φ — сдвига фаз тока и напряжения) можно достигнуть последующими методами:

1) подменой не достаточно загруженных движков движками наименьшей мощности,

2) снижением напряжения

3) выключением движков и трансформаторов, работающих на холостом ходу,

4) включением в сеть особых компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.

На массивных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы — синхронные перевозбужденные электродвигатели.

Чтоб повысить экономичность энергетических установок более нередко употребляют батареи конденсаторов, подключаемые параллельно индуктивной нагрузке (рис. 2 а).

Рис. 2 Включение конденсаторов для компенсации реактивной мощности: а — схема, б, в — векторные диаграммы

Для компенсации cosφ в электронных установках до нескольких сотен кВА используют косинусные конденсаторы. Их выпускают на напряжение от 0,22 до 10 кВ.

Емкость конденсатора, нужную для увеличения cosφ от имеющегося значения cosφ1 до требуемого cosφ2, можно найти по диаграмме (рис. 2 б, в).

При построении векторной диаграммы в качестве начального вектора принят вектор напряжения источника. Если нагрузка представляет собой индуктивный нрав, то вектор тока I1 отстает от вектора напряжения на угол φ1Iа совпадает по направлению с напряжением, реактивная составляющая тока Iр отстает от него на 90° (рис. 2 б).

После подключения к потребителю батареи конденсаторов ток I определяется как геометрическая сумма векторов I1 и Ic. При всем этом вектор емкостного тока опережает вектор напряжения на 90° (рис. 2, в). Из векторной диаграммы видно, что φ2 < φ1, т.е. после включения конденсатора коэффициент мощности увеличивается от cosφ1 до cosφ2

Емкость конденсатора можно высчитать с помощью векторной диаграммы токов (рис. 2 в) Ic = Iр1 — Iр = Iа tgφ1 — Iа tgφ2 = ωCU

Беря во внимание, что P = UIа, запишем емкость конденсатора С = (Iа / ωU) х (tgφ1 — tgφ2) = (P / ωU²) х (tgφ1 — tgφ2).

На практике обычно коэффициент мощности увеличивают не до 1,0, а до 0,90 — 0,95, потому что полная компенсация просит дополнительной установки конденсаторов, что нередко экономически не оправдано.

Школа для электрика