Факторы, влияющие на коэффициент мощности систем электроснабжения промышленных предприятий с нелинейной и резкопеременной нагрузкой

УДК 621.313

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С НЕЛИНЕЙНОЙ И РЕЗКОПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКОЙ.

, ,

Россия, г. Орел,

ФБГОУ ВО «Орловский государственный университет имени »

В статье рассмотрены особенности влияния различных факторов на величину коэффициента активной мощности систем электроснабжения промышленных предприятий с нелинейным и резкопеременным характером нагрузки.

Ключевые слова: коэффициент мощности, система электроснабжения, нелинейная и резкопеременная нагрузка, двигатель, трансформатор, сварочные установки, вентильный преобразователь.

В настоящее время на предприятиях эксплуатируется различное электрооборудование создающее нелинейный и резкопеременный характер нагрузки. Например, потребителями с резкопеременной нагрузкой являются дуговые сталеплавильные и рудно-термические печи, приводы прокатных станов. Набросы реактивной мощности, сопровождающие работу мощных приёмников с резкопеременной нагрузкой, вызывают значительные колебания напряжения в сети. Работа установок электродуговой сварки, тиристорных и полупроводниковых преобразователей приводит к резкому изменению токов и напряжений на элементах и вызывает искажения формы напряжения и тока в системах электроснабжения. Как правило, такие нагрузки характеризуются большим потреблением реактивной мощности и низким коэффициентом мощности. При этом следует отметить, что коэффициент мощности вентильного преобразователя линейно зависит от степени регулирования напряжения в цепи постоянного тока. Наличие большой доли вентильной нагрузки в электрической сети усложняет задачу поддержания коэффициента мощности в сети на нормативном или оптимальном уровнях близком к 0,9.

Однако известно, что повышение коэффициента мощности в энергосистемах нашей страны только на 0,01 может дать ежегодно экономию более 500 млн. квт·ч электрической энергии. Таким образом, повышение коэффициента мощности - одно из приоритетных направлений в области энергосбережения.

Чем меньше коэффициент мощности, тем менее загружена сеть активной мощностью и тем меньше КПД использования сети. В связи с этим необходимо, чтобы как можно большую часть полной мощности составляла активная мощность, а не реактивная.

Рассмотрим факторы, оказывающие влияние на коэффициент мощности в СЭС предприятий с нелинейной и резкопеременной нагрузкой.

1. Большое влияние на низкий коэффициент мощности оказывают асинхронные двигатели и трансформаторы. Недогрузка асинхронных двигателей, особенно небольшой мощности, приводит к тому, что потребляемая активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке, а реактивная мощность остается практически неизменной (рис.1). Максимальное снижение коэффициента мощности (до 0,1-0,2) достигается при работе двигателя в режиме холостого хода. В связи с этим необходимо сократить время работы двигателя на холостом ходу, а при загрузке двигателя менее чем на 45% от номинальной мощности целесообразно произвести его замену на менее мощный.

Рис.1 Зависимости коэффициента мощности асинхронного двигателя

от его номинальной мощности и загрузки

Потребление реактивной мощности трансформаторами в несколько раз меньше, чем асинхронными двигателями, но суммарное потребление по системе в целом значительно. С целью уменьшения потерь реактивной мощности в трансформаторах на намагничивание рекомендуется выводить в резерв трансформаторы, загруженные менее чем на 40% от их номинальной мощности, с переводом нагрузки на другой трансформатор или производить замену на трансформатор меньшей мощности. Повышение коэффициента загрузки трансформатора на 0,1 приводит к улучшению cosφ на 0,04−0,05. Анализ кривых приведенных на рисунке 2 показывает, что эксплуатация трансформаторов с коэффициентом загрузки Кз менее 0,6 приводит к существенному снижению cos φ системы электроснабжения промышленного предприятия независимо от коэффициента мощности потребителей, питаемых от шин низкого напряжения трансформаторной подстанции. При увеличении Кз в пределах от 0,4 до 0,6 происходит значительное улучшение коэффициента мощности cos φ1 на стороне первичного напряжения трансформаторов цеховых подстанций, а при дальнейшем увеличении нагрузки трансформатора cos φ1 практически остается без изменений. Существенное снижение cos φ1 будет иметь место при одновременном снижении коэффициента мощности у потребителя cos φ2 и Кз.

1 0,8 0,6 0,4 0,2 Кз

Рис. 2 Зависимости коэффициента мощности на первичной стороне

трансформатора cos φ1 от его коэффициента загрузки Кз

и коэффициента мощности потребителя cos φ2

2. Низким коэффициентом мощности обладают дуговые сталеплавильные, рудно-термические и индукционные печи. Потребляемая ими реактивная мощность необходима как для обеспечения самого процесса плавки, так и для покрытия потерь реактивной мощности в элементах печной установки. Согласно графику, представленному на рисунке 3, с увеличением объема дуговой печи и мощности печных трансформаторов коэффициент мощности печного агрегата снижается.

Рис. 3 Зависимость коэффициента мощности дуговой сталеплавильной печи

от номинальной мощности

3. Сварочные установки создают резкопеременную, неравномерную (однофазные) нагрузку с низким коэффициентом мощности (cos φ установок дуговой сварки 0,30–0,35, а контактной сварки 0,2–0,6). При этом работа сварочных установок может вызывать недопустимые колебания и несимметрию напряжений в сети. Сварочные установки постоянного тока включаются в сеть через тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный, что влечет за собой дополнительное увеличение потребляемой реактивной мощности.

4. Вентильные преобразователи используются для питания электроприводов и электротехнологических установок, для возбуждения синхронных электрических машин и в схемах частотного пуска гидрогенераторов. На основе полупроводниковых вентильных преобразователей созданы линии электропередач постоянного тока большой мощности и вставки постоянного тока.

Преобразовательные установки с полупроводниковыми вентилями являются мощными потребителями реактивной мощности (коэффициент мощности вентильных преобразователей прокатных станов колеблется от 0,3 до 0,8). Ее потребление обусловлено естественными коммутационными процессами и искусственной задержкой момента открытия вентиля в целях регулирования выпрямленного напряжения.

Коэффициент мощности в цепи переменного тока вентильного преобразователя (на входе выпрямителя и на выходе инвертора) определяется отношением активной мощности к полной

где ν1 – есть отношение действующего значения первой гармоники тока первичной обмотки трансформатора к действующему значению первичного тока;

φ1(1) – угол сдвига фаз первой гармоники первичного тока относительно первичного напряжения.

Нелинейность и нестабильность параметров нагрузки оказывает влияние на режим потребления реактивной мощности преобразовательными установками. Коэффициент мощности вентильного преобразователя линейно зависит от степени регулирования напряжения в звене постоянного тока и снижается при наличии в сети высших гармоник. В зависимости от схемы выпрямления вентильные преобразователи генерируют в сеть следующие гармоники тока: при 6-фазной схеме – до 19-го порядка; при 12-фазной схеме – до 25-го порядка включительно. Коэффициент несинусоидальности при работе тиристорных преобразователей прокатных станов может достигать значения более 30 % на стороне 10 кВ питающего их напряжения, что может привести к выходу из строя самих вентильных преобразователей.

Основными факторами, влияющими на коэффициент мощности в системах электроснабжения предприятий с нелинейными и резкопеременными нагрузками являются: неправильный выбор мощности и режима работы асинхронных двигателей и трансформаторов, эксплуатация дуговых, индукционных, сварочных и преобразовательных установок с низким естественным коэффициентом мощности. При решении вопросов компенсации реактивной мощности вышеперечисленных электроустановок требуется учитывать индивидуальные технические особенности, связанные с нелинейным и резкопеременным характером создаваемой нагрузки. Однако решая эти задачи можно достичь оптимального уровня коэффициента мощности, что позволит увеличить КПД использования сети.

Список литературы

1.  Беляевский, влияния коэффициента загрузки асинхронных двигателей на потребление реактивной мощности [Текст] / Вестник КузГТУ, 2010.

2.  Надежность и качество электрической энергии, как показатели энергоэффективности [Текст] / , // Энерго - и ресурсосбережение ­– XXI век - Орел : Изд-во Госуниверситета – УНПК, 2015.

3.  Компенсация реактивной мощности в электроустановках промышленных предприятий: учебное пособие [Текст] / ; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 234 с.

, ОГУ имени , доцент кафедры «ЭиЭ», ; e-mail: *****@***ru,

, магистрант ФГБОУ ВО «ОГУ имени »; тел.[phone], , E-mail: *****@***ru

, магистрант ФГБОУ ВО «ОГУ имени »; E-mail: *****@***ru

_________________________________________________________________________________________

FACTORS AFFECTING THE POWER FACTOR OF THE POWER SUPPLY SYSTEMS OF INDUSTRIAL ENTERPRISES WITH NON-LINEAR AND SHARPLY VARIABLE LOADING.

Кoroleva T. G., Pоnkratov K. V., Khomyakov V. I.

Russia, g. Orel,

FBGOU VO «Orlovskij gosudarstvennyj universitet imeni I. S. Turgeneva»

In the article the features of influence of different factors are considered on the size of coefficient of active-power of the systems of power supply of industrial enterprises with nonlinear and sharply variable character of loading.

Key words: power-factor, system of power supply, nonlinear and sharply variable loading, engine, transformer, welding options, valve transformer.

Bibliography

1. Beljaevskij, R. V. Analiz vlijanija kojefficienta zagruzki asinhronnyh dvigatelej na potreblenie reaktivnoj moshhnosti [Tekst] / Vestnik KuzGTU, 2010.

2. Nadezhnost' i kachestvo jelektricheskoj jenergii, kak pokazateli jenergojeffektivnosti [Tekst] / T. G. Koroleva, E. M. Morozov // JEnergo - i resursosberezhenie -– XXI vek - Orel : Izd-vo Gosuniversiteta – UNPK, 2015.

3. Kompensacija reaktivnoj moshhnosti v jelektroustanovkah promyshlennyh predprijatij: uchebnoe posobie [Tekst] / A. V. Kabyshev; Tomskij politehnicheskij universitet. – Tomsk: Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2012. – 234 s.

Koroleva Tatyana Gennadevna, OGU imeni I. S. Turgeneva, docent kafedry «EiE», tel. [phone]; e-mail: *****@***ru, tel. [phone]

Ponkratov Konstantin Vladimirovich, magistrant FGBOU VO «OGU imeni I. S. Turgeneva»; Tel.[phone], faks (4862) 416684, E-mail: *****@***ru

Khomyakov Ivan Vladimirovich, magistrant FGBOU VO «OGU imeni I. S. Turgeneva»; E-mail: *****@***ru