Нет уже надобности лишний раз описывать, что такое экономия электроэнергии, да и энергии вообще, и насколько это плохо. Даже, если это не так плохо на самом деле, как расписывают политики или придворные ученые, в любом случае, зачем жечь лишние киловатты? Зачем пропадать добру? Повышать экономичность энергопотребляющих машин, устройств и приборов – это одна из обязанностей тех, кто их создает.
Электроэнергия неизбежно теряется в процессе передачи от источника к потребителю. это справедливо как для переменного тока, так и для постоянного. Часть активной мощности, на величину падения напряжения сети, бесполезно греет воздух и землю. Эта проблема, насколько возможно, решается оптимальным подбором сечения проводников линий электропередач и повышением напряжения, до тех пор, пока это возможно. На первый взгляд, на этом можно успокоиться. На самом деле не все так просто и вопрос упирается в деньги. Рассмотрим эту ситуацию на примере.
На предприятии нагревают воду и платят по счетчику активной энергии. Продавец, скажем, электростанция, с учетом точно рассчитанных потерь на передачу в линии, смотрит на свой счетчик и видит баланс. Затем предприятие покупает электромоторы и начинает интенсивно использовать их с насосами, что-то качать. Через некоторое время продавец электроэнергии начинает замечать, что ему приходится вырабатывать больше энергии чем он продает за деньги. У клиента все в порядке, пломбы на счетчиках целые. Убедившись, что никто не ворует, обращаются к электротехникам за консультацией.
Те объясняют, что за счет индуктивности электромоторов в цепи появляется реактивный ток (берущийся взаймы) и соответствующая ему мощность. Энергия, запасенная в магнитном поле моторов, по законам физики сохраняется, но не вся она переходит в механическую работу. Потому, что не успевает сделать это вовремя. И возвращается в цепь обратно. Этот бесполезный ток только зря нагревает провода, и совсем не учитывается счетчиками активной энергии. Что делать? Есть два выхода. Первый: это скомпенсировать реактивный ток, поставив на подстанции предприятия батареи конденсаторов; и второй: установить счетчик реактивной энергии и брать за нее деньги.
Продавец электроэнергии выбирает второй путь – брать деньги, а кто бы сделал не так? Тогда предприятие, узнав о конденсаторах, делает в них инвестицию и со временем они окупаются, поскольку реактивный счетчик крутит уже не так быстро. Примерно так и было в истории развития промышленной электроэнергетики. “Частный сектор” тогда пользовался еще спиральными электроплитками и лампочками накаливания и платил аккуратно.
Со временем, мощность бытовых приборов в развитых странах сильно выросла. Любой современный бытовой прибор может содержать электромоторы и трансформаторы: холодильник, стиральная машина. Даже блок питания компьютеров содержит элементы, искажающие форму потребляемого тока. А это означает появление реактивного тока и реактивную мощность. Продавцы энергии снова почувствовали убытки, да и экологи шумят. Но не ставить же в частном секторе и офисах счетчики реактивной энергии! Поэтому высокоразвитые страны, под давлением заинтересованных сторон, выработали обязательные стандарты для всех производителей современного энергопотребляющего оборудования. Сегодня даже маломощный компьютерный блок питания оснащен корректором коэффициента мощности и его к.п.д. перевалил за 99%.
Полная мощность цепи переменного тока складывается из суммы активной мощности и реактивной мощности. Коэффициент мощности равен отношению активной мощности к полной мощности, следовательно, чем меньше реактивная мощность, тем выше коэффициент мощности. В общем случае, для несинусоидальных токов и напряжений, их функции необходимо разложить в ряд Фурье и для каждой гармоники мы получим свой коэффициент мощности в виде тригонометрической функции ее фазового угла, а также и свои амплитуды тока и напряжения. Функция синус проще всего раскладывается в ряд Фурье – это и есть сам синус. Любое преобразование энергии по закону синуса аналогично равномерному круговому движению в механике с центром масс на оси вращения. Это самый экономичный режим.
Энергетиков на предприятиях, да и бытовых потребителей, волнует, главным образом, первая гармоника напряжения сети – 50 Гц, для которой коэффициент мощности с высокой точностью для практики равен cos φ. Энергетиков крупных энергетических компаний уже интересуют высшие гармоники, потому, что для их компаний это ощутимые рубли, которые проявляются не столько в потере энергии, сколько в помехах управляющей, сигнальной и связной аппаратуре. Обычно интересуются 5, 7 и 11-ми гармониками (это простые числа, осложняющие расчеты). Для их подавления у мощных потребителей используют контуры с последовательным резонансом.
Математически cos φ
Математически cos φ определяется как отношение активной мощности к полной или равен отношению косинуса этих величин (отсюда и название параметра).
Величина коэффициента мощности может изменяться в интервале 0 — 1 (либо в диапазоне 0 — 100%). Чем ближе его величина к 1, тем лучше, поскольку при величине cos φ = 1 – потребителем реактивная мощность не потребляется (равняется 0), следовательно, меньше потребляемая полная мощность в общем.
Низкий cos φ указывает на то, что на внутреннем сопротивлении потребителя выделяется повышенная реактивная мощность.
Когда токи / напряжения являются идеальными сигналами синусоидальной формы, то коэффициент мощности составляет 1.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
В энергетике для коэффициента мощности используются следующие обозначения cos φ либо λ. В случае если для определения коэффициента мощности используется λ, его значение выражают в %.
Геометрически коэффициент мощности можно изобразить, как косинус угла на векторной диаграмме между током, напряжением между током, напряжением. В связи с чем при синусоидальной форме токов и напряжений величина cos φ совпадает с косинусом угла, от которого отстают эти фазы.
Короткое видео о кратким объяснением, что такое коэффициент мощности:
Частотные преобразователи
Сегодня асинхронным двигателем управляют с помощью преобразователя частоты. Частотный преобразователь прошел определенную историю развития. Сначала использовались тиристорные схемы. Эти схемы имели множество недостатков, которые сдерживали развитие преобразователей, хотя довольно активно применялись, особенно для мощных двигателей. Когда появились MOSFET, а затем и IGBT транзисторы, рынок преобразователей, как принято говорить “взорвался”. Средняя стоимость преобразователя частоты начала падать и сегодня частотник можно купить даже для бытовых целей за несколько тысяч рублей.
К моменту появления IGBT было предложено и испытано множество топологий силовой части и способов управления для преобразователя частоты. Преобразователи делятся на прямые и двухзвенные ДПЧ. Прямые – непосредственно передают энергию к двигателю: например, циклоконвертор, матричный конвертор. Большим недостатком этих преобразователей является значительное число ключей и большая сложность управления ими. Они применялись, в основном, в тиристорную эпоху.
Двухзвенная схема преобразователя частоты содержит трехфазный инвертор, получающий питание от источника постоянного тока или напряжения. Следовательно, она требует выпрямитель, каковой и является еще одним звеном. Эти преобразователи более перспективные, так как позволяют осуществить рекуперацию на переменном токе, а это, пожалуй, было бы окончательным решением проблемы электропривода. Этот важный вопрос поясняет следующий рисунок:
На рисунке показан инвертор тока. Он питает двигатель и конденсаторы в его цепи. Дроссели в звене постоянного тока ограничивают помехи. Конденсаторы сглаживают пульсации тока ШИМ. Инвертору тока требуется управляемое выпрямляющее звено для регулирования напряжения и управления током в промежуточном звене. В выходном инверторе используются запираемые тиристоры IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Это довольно новый вид приборов, промышленность еще не имеет большого опыта их применения, но разработчики интересуются их возможностями. IGCT – довольно сложная штука:
так как содержит драйвер непосредственно рядом с прибором. На рисунке показан прижимной вариант. Можно заметить множество конденсаторов на плате – это требуется для повышения быстродействия управляющего электрода. Частота переключения – порядка единиц кГц. Это уже подходит для преобразователя частоты. Инвертор тока может не гасить энергию на тормозных резисторах, а возвращать ее в питающую сеть.
Но наиболее часто используются инверторы напряжения. Их выпрямляющее звено выполняется на диодах, а инвертор – на транзисторах IGBT, зашунтированными диодами, включенными в обратном направлении. Звено постоянного тока содержит конденсаторы и дроссель для сглаживания пульсаций. Инвертор напряжения имеет довольно много вариантов. Дело в том, что для эффективного регулирования мощных двигателей в звене постоянного тока преобразователя частоты приходится использовать высокое напряжение, а для этого приходится использовать многоуровневые схемы инверторов, чтобы поделить напряжение между приборами и избежать их пробоя. Существуют схемы: трехуровневая, с фиксированной средней точкой; каскадные с большим, чем три, числом уровней; схемы с плавающими конденсаторами. Большинство продаваемых преобразователей выпускают по простой схеме для трехфазных двигателей малой и средней мощности, работающих в сетях 50-60 Гц 0,4 кВ.
Схема частотного преобразователя помещается в небольшой коробке, размером с обувную, для преобразователей частоты небольшой мощности, а мощные высоковольтные преобразователи для больших двигателей могут занимать несколько металлических шкафов.
Повышение коэффициента мощности
Значение коэффициента мощности рассчитывают при проектировании сетей. Поскольку низкое его значение является следствием увеличения величины общих потерь электроэнергии. Для его увеличения в сетях используют различные способы коррекции, повышая его значение до 1.
Повышение cos φ преследует 3 основные задачи:
- снижение потерь электроэнергии;
- рациональное использование цветных металлов на создание электропроводящей аппаратуры;
- оптимальное использование установленной мощности трансформаторов, генератор и прочих машин переменного тока.
Технически коррекция реализуется в виде введения различных дополнительных схем на вход устройств. Эта техника требуется для равномерного использования мощности фазы, устранения перегрузок нулевого провода 3-х-фазной сети, и является обязательной для импульсных источников питания, установленной мощностью 100 Вт и более.
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Помимо этого, компенсация позволяет обеспечить отсутствие всплесков потребляемого тока на пике синусоиды, равномерную нагрузку на питающую линию.
Электропривод переменного тока
Особенное значение в технике приобретают управляемые приводы переменного тока с использованием асинхронного электродвигателя. Если бы инженер тридцатых годов прошлого века увидел, что теперь вытворяют с помощью этих простых, дешевых и “к сожалению неуправляемых” двигателей, он бы лопнул от зависти. Единственный способ эффективно изменять скорость вращения такого двигателя – изменять частоту напряжения на нем. В тридцатые годы прошлого века изменять частоту можно было только на электростанции, глядя на язычковый частотомер, в пределах нескольких Гц. Все, что надо было тогда делать – это держать его на номинале, посередине шкалы. Все остальное было еще в теории.
Основные способы коррекции cos φ
1. Коррекция реактивной составляющей мощности производится путём включения реактивного элемента, имеющего противоположное действие. К примеру, для компенсации работы асинхронной машины, обладающей высокой индуктивной реактивной составляющей мощности, в параллель включается конденсатор.
2. Корректировка нелинейности электропотребления. При потреблении тока нагрузкой непропорционально основной гармонике напряжения, для повышения коэффициента мощности в схему вводят пассивный (активный) корректор коэффициента мощности. Наиболее простым примером пассивного корректора cos φ является дроссель с высокой индуктивностью, подключаемый последовательно с нагрузкой. Дроссель производит сглаживание импульсного потребления нагрузки и создание низшей, основной гармоники тока.
3. Корректировка естественным способом, не предусматривающая установку дополнительных устройств, предполагает упорядочение технологического процесса, рациональное распределение нагрузок, ведущее к улучшению режима потребления электроэнергии оборудованием, повышению коэффициента мощности.
Подробное видео с объяснением, что такое cosφ :
СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ
Отчет оформляется каждым студентом на отдельном листе. Отчет должен содержать название лабораторной работы, формулировку цели работы, перечень применяемых приборов и их характеристики, результаты наблюдений и вычислений; формулы, используемые при вычислениях, графики и векторные диаграммы, выполненные на миллиметровой бумаге (или на бумаге в клеточку).
В отчете должны быть сведения по оценке точности измеряемых и вычисляемых величин.
Отчет заканчивается выводами по работе, в которых необходимо отразить: каковы величины емкости и реактивной мощности конденсаторов необходимы для компенсации реактивного индуктивного тока в линии; выполняется ли при этом условие резонанса токов (P=S; Ia=min); во сколько раз уменьшается ток в линии после подключения конденсаторов и во сколько раз уменьшаются потери напряжения и мощности в линии.
Указать основные источники погрешностей измерения и вычисления.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какую роль играют реактивные токи в нагрузке и в проводах линии электропередачи?
2. Для какой цели параллельно индуктивным приемникам электрической энергии подключают конденсатор?
3. Как подсчитать емкость и мощность компенсирующего конденсатора?
4. Как изменяется активная мощность нагрузки, если к ней подключить конденсатор?
5. Изменяется ли режим работы индуктивного приемника электрической энергии при подключении параллельно ему конденсатора (Ιнагр., Ρнагр., Qнагр.)?
6. Как изменяются потери напряжения и мощности в проводах линии, если параллельно нагрузке индуктивного характера подключить конденсатор?
7. Укажите на схеме лабораторной работы путь протекания активного тока, реактивного индуктивного и реактивного емкостного тока.
8. Напишите формулу законов Ома для цепи переменного тока при последовательном и параллельном соединении ветвей.
9. В каких цепях возникает резонанс токов? Дайте определение режимов резонанса токов. Условие возникновения резонанса токов.
10. Каковы свойства цепи в режиме резонанса токов.
11. Расскажите порядок построения векторной диаграммы при параллельном соединении ветвей.
Задание 2
учебно-исследовательское
Исследование цепи однофазного синусоидального тока с параллельным соединением индуктивной катушки и конденсатора переменной емкости
Цель работы
: исследовать влияние величины емкости конденсатора на изменение величины и фазы тока в линии и на величину и характер потребляемой реактивной мощности цепью, состоящей из параллельно соединенных индуктивной катушки и конденсатора переменной емкости.
ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
При выполнении данного задания используются то же оборудование и принадлежности, что при выполнения учебного задания 1, без каких-либо дополнений.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Собрать схему цепи и показать для проверки преподавателю;
2. Подготовить табл.3 измерений и вычислений, в которой должно быть не менее 7 строк для записи результатов наблюдений.
Таблица 3.
| № п. п. |
