Почему необходимо корректировать коэффициент мощности?

Почему необходимо корректировать коэффициент мощности?

Коррекция коэффициента мощности в системах энергоснабжения

На потери энергии из-за низкого коэффициента мощности часто не обращают внимания. Между тем, они могут привести к снижению надёжности, проблемам с безопасностью и повышенным расходам на электроэнергию. Чем ниже коэффициент мощности, тем менее экономична система. Реальное количество используемой или рассеиваемой мощности в цепи называется активной мощностью. Реактивные нагрузки (индуктивности и конденсаторы) производят так называемую реактивную мощность. Линейная комбинация активной и реактивной мощностей называется полной или кажущейся мощностью.

Система электропитания содержит активные (резистивные), индуктивные и емкостные нагрузки. Примерами активных нагрузок являются системы освещения с лампами накаливания и электронагреватели. В качестве примеров индуктивных нагрузок можно привести асинхронные двигатели, трансформаторы и реакторы. Примерами емкостных нагрузок являются конденсаторы, регулируемые или нерегулируемые конденсаторные батареи, пусковые конденсаторы двигателя, генераторы и синхронные двигатели.

Коррекция коэффициента мощности (ККМ), как правило, достигается путём добавления емкостной нагрузки, чтобы компенсировать имеющуюся в системе индуктивную нагрузку. Коэффициент мощности системы энергоснабжения постоянно изменяется из-за изменения мощности и количества двигателей, используемых в данный момент. Это затрудняет достижение постоянного баланса между индуктивными и емкостными нагрузками. Коррекция коэффициента мощности приносит много преимуществ. Для потребителя основным преимуществом является отсутствие платы за низкий коэффициент мощности. Для поставщика электроэнергии преимущества заключаются в увеличении срока службы оборудования и снижении эксплуатационных расходов.

Типы мощности

Фактическое количество используемой или рассеиваемой в цепи мощности называется активной мощностью. Она измеряется в ваттах и обозначается прописной буквой P. Активная мощность является функцией элементов рассеяния цепи, например, резисторов (R).

Реактивные нагрузки (индуктивности и конденсаторы) не рассеивают мощность, но то, что на них падает напряжение и через них протекает ток, даёт впечатление, что они всё-таки рассеивают мощность. Эта «рассеиваемая мощность» называется реактивной мощностью, а её единицей измерения является вольт-ампер реактивный (вар). Реактивная мощность обозначается прописной буквой Q и является функцией реактивного сопротивления цепи (X).

Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Она является произведением напряжения и тока цепи без учёта фазового угла. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА) и обозначается прописной буквой S. Полная мощность является функцией полного сопротивления цепи (Z). Имеется несколько выражений, связывающих три типа мощности со значениями активного, реактивного и полного сопротивления (во всех используются скалярные величины):

P – активная мощность, единицей измерения является ватт:

P = I²R, P = V²/R

Q – реактивная мощность, единицей измерения является вольт-ампер реактивный (вар):

Q = I²X Q = V²/X

S – полная мощность, единицей измерения является вольт-ампер (ВА):

S = I²Z, S = V²/Z, S = VI

Нагрузки системы электропитания

Нагрузка системы электропитания включает в себя активные, индуктивные и емкостные нагрузки. Примерами активных нагрузок являются системы освещения с лампами накаливания и электронагреватели. В качестве примеров индуктивных нагрузок можно привести асинхронные двигатели, трансформаторы и реакторы. Примерами емкостных нагрузок являются конденсаторы, регулируемые или нерегулируемые конденсаторные батареи, пусковые конденсаторы двигателя, генераторы и синхронные двигатели.

Индуктивные и емкостные нагрузки имеют противоположную природу. Равные величины индуктивной и емкостной нагрузок в одной системе будут компенсировать друг друга, оставляя только активную мощность. При этом коэффициент мощности будет равен единице. При достижении единичного коэффициента мощности активная мощность (кВт) равна полной мощности (кВА). При коэффициенте мощности, равном единице, обеспечивается наибольшая эффективность системы.

В чисто резистивной схеме вся мощность рассеивается на резисторе, напряжение и ток находятся в фазе, а активная мощность равна полной мощности (как видно из рис. 1). В чисто реактивной цепи мощность на нагрузке не рассеивается. Она поочерёдно потребляется от источника и возвращается обратно. Напряжение и ток имеют сдвиг по фазе на 90° относительно друг друга, и реактивная мощность равна полной мощности (как видно из рис. 2).

В цепи, состоящей из активного и реактивного сопротивления, потребляемая мощность будет больше, чем возвращаемая, то есть часть мощности будет рассеиваться, а часть потребляться от источника и возвращаться обратно. Фазы напряжения и тока в такой цепи будут отличаться на угол, находящийся в пределах от 0° до 90°. Полная мощность является векторной суммой активной и реактивной мощностей (рис. 3).

Определение коэффициента мощности

На потери энергии из-за низкого коэффициента мощности часто не обращают внимания. Между тем они могут привести к снижению надёжности, проблемам с безопасностью и повышенным расходам на электроэнергию. Чем ниже коэффициент мощности, тем менее экономична система.

Коэффициент мощности – это отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой электрической нагрузкой. Как все отношения, он является безразмерной величиной и может быть выражен математически как:

где КМ – коэффициент мощности, кВт – активная мощность, которая выполняет работу, кВА – полная мощность, а квар (не включенная в выражение) – реактивная мощность. В индуктивной нагрузке (например, электродвигателе) активная мощность выполняет работу, а реактивная мощность создаёт электромагнитное поле. Соотношение трёх типов мощностей в тригонометрической форме показано на рис. 4

В чисто резистивной цепи коэффициент мощности составляет ровно 1, потому что реактивная мощность равна нулю. Треугольник мощностей будет иметь вид горизонтальной линии, так как другая сторона (реактивная мощность) будет иметь нулевую длину. Для чисто индуктивной цепи коэффициент мощности равен нулю, потому что активная мощность равна нулю. Треугольник мощностей будет иметь вид вертикальной линии, так как другая сторона (активная мощность) будет иметь нулевую длину.

То же самое можно сказать о чисто емкостной схеме. Если в цепи нет рассеивающих (резистивных) компонентов, активная мощность должна быть равна нулю, при этом мощность в цепи является чисто реактивной. Треугольник мощностей для чисто емкостной цепи также будет представлять собой вертикальную линию (направленную вниз, а не вверх в отличие от чисто индуктивной цепи).

Коэффициент мощности может быть важным аспектом при рассмотрении цепи переменного тока, потому что любой коэффициент мощности, меньший единицы, приводит к тому, что проводники схемы для подачи той же активной мощности на активную нагрузку должны проводить больший ток, чем ток при нулевом реактивном сопротивлении в цепи. Низкий коэффициент мощности делает неэффективной систему энергоснабжения.

Низкий коэффициент мощности может быть скорректирован, как это ни парадоксально, путём добавления в схему дополнительной нагрузки, которая имеет равное и противоположное по знаку количество реактивной мощности, чтобы скомпенсировать влияние индуктивного сопротивления нагрузки. Индуктивное сопротивление может быть скомпенсировано только емкостным сопротивлением, поэтому необходимо добавить параллельно цепи в нашем примере в качестве дополнительной нагрузки конденсатор. Действие этих двух противоположных параллельных реактивных сопротивлений должно привести к тому, что общий импеданс системы станет равным активному сопротивлению (то есть фазовый угол импеданса станет равным нулю или по крайней мере станет ближе к нулю).

Коэффициент мощности показывает, насколько эффективно ток преобразуется в реальную работу: при низком коэффициенте мощности для получения того же количества мощности необходима более высокая величина тока. Любой ток приводит к потерям в системе распределения. Эти потери могут быть определены как:

Потери = I²*R,

где R – сопротивление. Коэффициент мощности, равный 1, приводит к наиболее эффективному использованию источника; при нагрузке с коэффициентом мощности 0,5 потери в системе распределения более высокие.

Реактивная нагрузка промышленных энергосистем обычно представляет собой большое количество асинхронных двигателей. Это может привести к тому, что общая нагрузка будет индуктивной до 50%. Мощные индуктивные нагрузки являются причиной того, что полная мощность становится больше активной мощности на величину от 25 до 41%. Если тарификация поставщика электроэнергии основана только на учёте активной мощности (кВт), он должен обеспечивать мощность на 41% больше, чем та, за которую выставляется счёт. Поскольку это занимает мощности системы и поскольку затраты на обслуживание потребителя с низким коэффициентом мощности более высокие, такой потребитель должен брать на себя эти расходы. Большинство тарифов на электроснабжение содержат положения, устанавливающие минимальный коэффициент мощности. Потребители, коэффициент мощности которых не дотягивает до минимального уровня, получают счёт за коэффициент мощности. Плата за коэффициент мощности может составлять от $5 до нескольких тысяч долларов в месяц.

Низкий коэффициент мощности имеет несколько последствий, которые включают в себя снижение пропускной способности системы, увеличение потерь в системе и повышенные расходы. К преимуществам увеличения низкого коэффициента мощности относятся устранение или снижение платы за коэффициент мощности, а также более эффективная работа системы с увеличением пропускной способности и уменьшением потребляемого тока.

Методы коррекции коэффициента мощности

В реальности поставщики электроэнергии обычно требуют значения коэффициента мощности 0,9. Хотя единичный коэффициент мощности обеспечивает наиболее эффективную работу системы, при таком значении система становится чувствительной к проблемам, связанным с гармониками. Такие проблемы приводят к перегреву двигателей, ложным отключениям и преждевременному выходу из строя полупроводниковых компонентов.

Коррекция коэффициента мощности (ККМ), как правило, достигается путём добавления емкостной нагрузки, чтобы компенсировать имеющуюся в системе индуктивную нагрузку. Коэффициент мощности системы энергоснабжения постоянно изменяется из-за изменения мощности и количества двигателей, используемых в данный момент. Это затрудняет достижение постоянного баланса между индуктивными и емкостными нагрузками.

Также проблемы, связанные с гармониками, могут появиться, если конденсаторы выбраны без учёта конкретных характеристик системы энергоснабжения. Кроме того, энергоснабжающие компании могут ограничить или запретить введение реактивной мощности в их системы. Все эти соображения необходимо учитывать при принятии решения о типе и параметрах коррекции коэффициента мощности.

Наиболее недорогим и широко распространённым способом коррекции коэффициента мощности (компенсации реактивной мощности) является использование нерегулируемой конденсаторной батареи, подключенной к входному трансформатору или шине распределительного устройства. Номинал нерегулируемой конденсаторной батареи выбирается таким образом, чтобы получить коэффициент мощности, равный 0,9 при максимальной рабочей индуктивной нагрузке. Это означает, что в периоды работы, когда используется более низкая величина индуктивной нагрузки, в систему энергоснабжения будет поставляться дополнительная реактивная мощность. Единственным недостатком этого метода являются ограничения поставщика электроэнергии и последующие изменения величины индуктивной нагрузки при подключении новых нагрузок.

Если имеется определённое число двигателей, которые являются причиной проблем с коэффициентом мощности, может использоваться разновидность этого метода: параллельно каждому двигателю может быть подключен отдельный конденсатор. Когда двигатель включен, конденсаторная батарея тоже включается, поэтому она обеспечивает компенсацию реактивной мощности только при использовании двигателя (см. рис. 6 и рис.7). Преимуществом этого метода является то, что величина емкостной нагрузки меняется вместе с величиной индуктивной нагрузки. Недостатком является то, что иметь отдельный конденсатор для каждого двигателя может быть нереально физически и экономически, а обслуживание многочисленных подобных устройств может оказаться дорогим и сложным.

Другим способом коррекции коэффициента мощности (компенсации реактивной мощности) является использование регулируемой конденсаторной батареи. Эта батарея подключается так же, как и нерегулируемая батарея. Преимуществом регулируемой конденсаторной батареи является то, что она контролирует коэффициент мощности системы и автоматически изменяет величину емкостной нагрузки, подключенной к системе для компенсации индуктивной нагрузки. Поскольку емкостная нагрузка регулируется, никаких проблем с поставщиком электроэнергии не должно быть. Регулируемые конденсаторные батареи, как правило, имеют внутреннюю защиту, в них предусмотрена возможность установки дополнительных батарей и обеспечивается простое обслуживание центрально расположенного устройства. Недостатком регулируемой конденсаторной батареи является повышенная вероятность проблем, связанных с гармониками, из-за изменений ёмкости, начальные затраты и затраты на обслуживание внутренних устройств коммутации конденсаторов.

Представляется, что при выборе компенсации оптимальной будет конфигурация, сочетающая перечисленные способы. Как правило, конденсаторы подключаются к наиболее мощным двигателям, чтобы обеспечить компенсацию во время их работы. Кроме того, к силовому трансформатору или распределительному устройству подключается регулируемая или нерегулируемая конденсаторная батарея. Преимуществом этого является регулирование емкостной нагрузки и уменьшение величины конденсаторной батареи, подключенной к силовому трансформатору или распределительному устройству.

Нужно отметить, что слишком большая ёмкость в цепи переменного тока приведёт к низкому коэффициенту мощности точно так же, как и слишком большая индуктивность. При добавлении ёмкости в цепь переменного тока нельзя допускать перекомпенсации. Необходимо также уделять особое внимание правильному выбору конденсаторов (они должны соответствовать напряжению системы с учётом возможных скачков напряжения при грозовых разрядах, допускать длительную работу и выдерживать ожидаемые уровни тока). Если цепь является преимущественно индуктивной, мы говорим, что коэффициент мощности является отстающим (потому что ток в цепи отстаёт по фазе от напряжения). И наоборот, если цепь является преимущественно емкостной, мы говорим, что коэффициент мощности является опережающим. Поэтому в схеме нашего примера начальный коэффициент был 0,705 (отстающий), а после коррекции стал 0,999 (отстающий).

Итак, низкий коэффициент мощности в цепи переменного тока может быть скорректирован до значения, близкого к единице (1), путём добавления параллельного реактивного сопротивления, действующего противоположно реактивному сопротивлению нагрузки. Если природа реактивного сопротивления индуктивная (это бывает почти всегда), для коррекции низкого коэффициента мощности необходима параллельная ёмкость.

Преимущества, которые приносит коррекция коэффициента мощности

Основным преимуществом коррекции коэффициента мощности является устранение начислений, относящихся к потреблению реактивной мощности. Если поставщик электроэнергии выставляет штраф за коэффициент мощности или тарифицирует полную мощность (кВА), снижение реактивной мощности даёт прямую экономию. Величина экономии будет зависеть от величины, конфигурации и режима эксплуатации системы. Как правило, затраты на коррекцию окупаются в течение года, а затем экономия будет снижать эксплуатационные расходы. Кроме того, коррекция коэффициента мощности улучшит работу системы энергоснабжения, а также увеличит сроки службы распределительного устройства, пускателя и двигателя. Итак, ключевыми моментами здесь являются защита, эффективность и экономия.