Коэффициент мощности электрической цепи

Понятие «коэффициент мощности электрической цепи» относится к категории таких, о которых говорят «тайна великая сие есть» (сие – это). Сколько человек, столько ответов на простенький вопрос: что такое коэффициент мощности?

Попробуем и мы, крестьяне, вставить свой пятак, отвечая на этот вопрос.

Начнём со стандартного определения (формулировки) этого понятия в любом учебнике.

Коэффициентом мощности электрической цепи называется отношение активной мощности цепи к полной, т.е.

= (6.196).

Из (6.196) следует, что коэффициент мощности равен доле полезной мощности Р от полной мощности S.

Поэтому название «коэффициент мощности» не совсем точное. Было бы правильно называть его «коэффициент активной мощности». Но куда теперь обращаться? В ЛСР, как рекомендовал т. Бендер г-ну Воробьянинову? Ладно, мы крестьяне, лучше помолчим.

Однако точно такое же соотношение мощностей было получено ранее (6.185):

= .

Таким образом, оказывается, что коэффициент мощности – это не что иное, как косинус угла , где – угол сдвига по фазе напряжения и тока в цепи. Ну, дела!

Береговые энергетики всегда боролись за высокий . Суровые инструкции устанавливали для предприятий оптимальное значение , а именно: = 0,92.

Если на предприятии опускался ниже оптимального, предприятие платило крупный штраф. Если же, наоборот, предприятие работало с >0,92, то главному энергетику выдавалась благодарственная грамотка, и никаких разговоров о премии. Социализьм!

В чем же дело? Почему этому коэффициенту уделялось такое внимание?

Ответ лежит в самом названии коэффициента: «коэффициент активной мощности».

Дело в том, что активная мощность

(6.197)

связана с выполнением полезной работы.

Например, в асинхронных двигателях вращающий момент создается активной составляющей тока ротора, т.е. за счёт активной мощности двигателя.

Реактивная же мощность

Q = (6.198)

как было показано выше (см. цепи R-L, R-С и R-L-C -типа), это мощность, которой постоянно обмениваются источники (генераторы) и приёмники электроэнергии.

Иначе говоря, эта мощность «гуляет» между генераторами и приёмниками электроэнергии, без пользы загружая линии электропередачи, тем самым не давая использовать как генераторы, так и линии на 100% по полезной мощности.

Это вынуждает включать в работу дополнительные генераторы, что увеличивает затраты на расход топлива и трудозатраты на техническое обслуживание и ремонт генераторов.

Кроме того, реактивные токи, прямо связанные с реактивной мощностью, увеличивают падение напряжения в проводах, а также усиливают нагрев обмоток генераторов, двигателей и тех же проводов линий передачи, т.е. тех участков электрических цепей, через которые они протекают.

При чисто активной нагрузке, т.е. при cosφ; =1, реактивная мощность отсутствует

Q = = S*sin 0º = 0,

т.к. при cosφ; =1 угол сдвига тока по отношению к напряжению φ = arc cos 1 = 0 º,поэтомуsin 0º = 0.

Однако приемники, представляющие собой чисто активную нагрузку – электронагревательные приборы, лампочки накаливания и т.п., потребляют лишь незначительную мощность судовой электростанции, обычно не более 10-15%.

Основную же нагрузку СЭС создают асинхронные двигатели, потребляющие до 85-90% мощности генераторов СЭС.

Эти двигатели представляют собой активно-индуктивную нагрузку, т.к. обмотки статоров этих двигателей имеют как активное, так и значительное индуктивное сопротивление.

У асинхронных двигателей номинальный коэффициент мощности cosφ; составляет 0,7…0,9, а при холостом ходе уменьшается до значения = 0,2…0,5.

 

 

Из сказанного следует, что при повышении коэффициента мощности уменьшаются

расходы на топливо для дизель-генераторов, а также трудозатраты на их техническое обслуживание и ремонт.

Методы повышения коэффициента мощности

 

 

На берегу методы повышения коэффициент мощности такие:

1. своевременное отключение электродвигателей и трансформаторов, работающих вхолостую (у них = 0,2…0,5);

2. у асинхронных двигателей, работающих с небольшой нагрузкой, переключением обмотки статора с треугольника на звезду. При этом ток холостого хода уменьшается в 3 раза (см. Примеры 6.93 и 6.94);

3. включение в сеть компенсаторов реактивной мощности двух видов:

а) конденсаторные, в виде батарей конденсаторов большой ёмкости.

При этом в мощных береговых энергосистемах используются автоматические системы компенсации, которые при понижении коэффициента мощности самостоятельно увеличивают число включенных батарей

б) синхронные, которые представляют собой синхронные генераторы, работающие без активной нагрузки.

В обоих случаях принцип повышения коэффициента мощности один и тот же:

компенсатор питает сеть реактивным ёмкостным током, который, находясь в противофазе с индуктивным током нагрузки, компенсирует его полностью или частично.

В результате ток в замкнутой цепи: генератор – линия передачи – приёмник электроэнергии – генератор, уменьшается.

Сам же принцип повышения коэффициента мощности можно пояснить при помощи векторной диаграммы на рис. 6.64.

До подключения конденсатора через катушку протекал ток , который отставал от напряжения на угол . Реактивная индуктивная составляющая этого тока обозначена на диаграмме как .

 

 

Рис. 6.64. Схема и векторная диаграмма токов конденсаторного компенсатора реактивной мощности

 

После подключения конденсатора через него стал протекать ток , который опережает напряжение на 90º.

Этот ток находится в противофазе с реактивной составляющей и уменьшает её на величину .

В результате ток в линии уменьшится до значения . Этот ток станет отставать от

напряжения на меньший угол , чем отставал ток . Значит, при этом увеличится коэффициент мощности.

Из сказанного следует, что синхронные компенсаторы надо устанавливать как можно ближе к генераторам – тогда не будет лишних потерь в участках линии передачи, не защищенных компенсаторами.

На судах на борьбу за высокий облокотились – игра не стоит свеч.

Кроме того, как правило, этот коэффициент достаточно высок.

Если на панели управления ГРЩ отсутствует фазометр – прибор для измерения , то легко рассчитать по показаниям трёх щитовых приборов – киловаттметра, вольтметра и килоамперметра.

Действительно, щитовой ваттметр показывает активную мощность генератора

,

где – линейное напряжение на шинах (щитовой вольтметр или киловольтметр);

– линейный ток (щитовой амперметр или килоамперметр).

Тогда

(6.199)