Основні теоретичні положення

Електротехнічні установки створюють в мережах, що живлять їх, активні і реактивні навантаження. Приймачі, що мають індуктивний характер навантаження – асинхронні двигуни, трансформатори, повітряні лінії – вважають споживачами реактивної енергії, а приймачі, що мають ємнісний характер, – статичні конденсатори, перезбуджені синхронні машини, кабельні лінії – генераторами реактивної енергії. Відповідно до цього перші приймачі характеризуються додатньою реактивною потужністю Q, а другі – від’ємною.

Реактивною потужністю Q прийнято називати добуток напруги U на навантаженні, струму I, що протікає в ньому, на синус кута φ між ними:

Q = UІsinφ.

Реактивна потужність вимірюється у «вольт–амперах реактивних» – скорочено «ВАр». Реактивна потужність пропорційна середньому за чверть періода значенню енергії, яка створює змінну складову електричного і магнітного полів ємності та індуктивності. За один період змінного струму ця енергія двічі передається джерелом живлення у коло і двічі повертається назад. Вона пов’язана зі зворотними процесами обміну електричною енергією між індуктивними та ємнісними елементами (або між реактивними споживачами та генераторами). Реактивна потужність витрачається на створення магнітного потоку в апаратах і машинах. Обмін реактивною потужністю між приймачами та генераторами призводить до додаткових втрат енергії в системі електропостачання, тому зниження споживання реактивної потужності є актуальною задачею, рішення якої дає значний техніко–економічний ефект.

Мірою співвідношення між активною і реактивною потужностями є коефіцієнт потужності – відношення активної потужності Р до повної S

,

де S=UI –повна потужність, яка вимірюється в вольт–амперах (ВА). Коефіцієнт потужності показує, яку частину повної потужності складає активна потужність. Значення коефіцієнта потужності залежить від характеру|вдачі| опору приймачів, |інколи|їх коефіцієнта завантаження та значень напруги на затискачах споживачів. Так, у|біля| асинхронних двигунах в залежності| від їх завантаження 0,10 – 0,97, а в|біля| електропечах з|із| резистивними| нагрівальними елементами та лампах розжарювання 1. В|біля| освітлювальних установках з|із| люмінесцентними лампами 0,85 –0,95.

Основними споживачами реактивної енергії є|з'являються| трифазні асинхронні двигуни, які споживають близько 65–70% всієї реактивної енергії. Силові трансформатори споживають близько 15–25%, а повітряні мережі та|сіті| зварювальні агрегати–5–10%.

Існує два способи розвантаження електричних мереж від споживання реактивної потужності: встановлення компенсувальних пристроїв або зменшення споживання реактивної потужності.

В якості компенсувальних пристроїв в основному використовують конденсаторні батареї, які доцільно встановлювати в місцях споживання реактивної по­тужності. Встановлення конденсаторних батарей для підвищення коефіцієнта потужності сприяє одночасному підвищенню рівня напруги, тому вибір їх параметрів слід виконувати з врахуванням збільшення потужності при підвищенні напруги.

Проаналізуємо роботу основного споживача реактивної енергії – трифазного асинхронного двигуна з короткозамк-нутим ротором. Струм, що споживається фазою двигуна

де P₁, U₁, соsφ₁ – відповідно значення величин фази двигуна: активної потужності, напруги та коефіцієнта потужності.

Чим більший коефіцієнт потужності соsφ₁, тим меншим буде струм I₁. В асинхронних двигунах номінальний соsφ₁ = 0,75...0,95. Коефіцієнт потужності соsφ₁ та ККД двигуна η залежать від його навантажен­ня (рисунок 5.1).

На рисунку 5.1 приведені залежності η, соsφ₁ від коефіцінта навантаження ß = P₂ / P_2Н,

де P₂ – потужність на валу двигуна;

P_2Н – номінальна потужність двигуна.

Рисунок 5.1 – Залежність ККД та коефіцієнта потужності від коефіцієнта навантаження

ККД асинхронного двигуна

Асинхронні двигуни працюють з найкращими енергетичними показниками при завантаженні 75% – 100% своєї номінальної потуж­ності. Якщо вони завантажені менше як на 60%, необхідно замінювати їх на менш потужні. |з'являються|

Сумарні втрати електроенергії у двигуні залежать також від значення напруги. При зміні напруги в межах робочого діапазону можуть змінюватися значення не тільки вихідного параметра електроприймача, наприклад, потужності на валу асинхронного електродвигуна, але й значення споживаної електроприймачем потужності. У зв'язку з тим, що для забезпечення необхідної потужності на валу двигуна при змен­шенні напруги втрати в сталі зменшуються, а в міді зроста­ють, функція = f(U) має екстремум. Слід відмітити, що момент обертання ротора асинхронного двигуна також залежить від напруги на його затискачах. При зниженні напруги ускладнюється пуск двигунів і знижується швидкість обертання валу двигуна, що призводить до зменшення продуктивності механізмів і збільшення струмів, тобто до збільшення втрат. При підвищенні напруги збільшується споживання реактивної потужності (1% підвищення напруги збільшує споживання реактивної потужності приблизно на 3%).

Експериментальне визначення спожитої реактивної потужності зручно вимірювати за допомогою варметра. За відсутності останнього реактивну потужність вимірюють|виміряти| трьома приладами: вольт­метром|, амперметром і ватметром з|із| подальшим|наступним| застосуванням|вживанням| формули: Q = , де U,I,Р – відповідно одночасно виміряні значення фазних величин: напруги U; сили струму I, що протікає в обмотці статора; активної потужності P.