2. Потребители реактивной мощности

Асинхронные электродвигатели (АД) и трансформаторы (Тр) потреб­ляют 60-80 % реактивной энергии в промышленных электросетях. Рассмот­рим потребление ими реактивной мощности, основываясь на схемах замеще­ния АД и Тр. Эти схемы идентичны, отличаются только ветвью, имитирую­щей нагрузку, поэтому воспользуемся одной - Г-образной схемой замещения (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Г-образная схема замещения АД с нагрузкой и трансформатора с нагрузкой r_нт, х_нт

Значения сопротивлений ротора АД и , аналогично вторичной обмотке трансформатора, приводятся с учетом коэффициентов трансформа­ции к параметрам цепей статора АД (первичной обмотки). Напомним также, что r₀ и х₀ - сопротивления ветви намагничивания.

В обоих случаях реактивная составляющая тока нагрузки

I_р = I_0p + I_1р (16.18)

и соответственно реактивная мощность

Q = Q₀ + Q₁. (16.19)

Мощности Q₀ и Q₁ - реактивные мощности холостого хода и короткого замыкания. Первая из них не зависит от нагрузки, вторая зависит от квадрата загрузки: активной мощности для АД и полной мощности для трансформатора.

Таким образом, для АД

Q_АД = Q_0АД + Q_номk₃², (16.20)

где k₃ = Р/Р_ном.

При расчете Q_Q и Q_x для Т_р используют значения тока холостого хода (%) и напряжения короткого замыкания трансформатора и_к (%):

причем β_т = S/S_ном.т - коэффициент загрузки трансформатора по полной мощности.

Для трехобмоточных трансформаторов реактивная мощность опреде­ляется как

При номинальной нагрузке АД значения обеих составляющих реактивной мощности АД примерно равны и Q_АД = 2Q₀. При β = 0 очевидно, что Q_м = Q₀.

В паспортах АД приводятся значения коэффициента мощности при номинальной нагрузке, что позволяет легко определить Q₀ и Q_м при любом значении K_у. В АД значение Q₀ составляет около 50 % номинальной мощности. Этой цифрой можно пользоваться при ориентировочных расчетах.

Значения Q₀ составляют 2–5 % номинальной мощности Т_р. Это объясняется отсутствием воздушного зазора в магнитопроводе Т_р, благодаря чему для создания основного магнитного потока требуются меньшие значения намагничавающего тока I_0р и реактивной мощности. Несмотря на это, суммарное потребление реактивной мощности трансформаторами соизмеримо с потреблением АД, поскольку суммарная номинальная мощность Т_р, как правило, во много раз больше, чем АД.

Для уменьшения потребления реактивной мощности АД выбирают двигатели с небольшим запасом по активной мощности; выполняют переключения статорных обмоток с треугольника на звезду при их загрузке ниже 40–50 %; исключают режим холостого хода путем установки соответствующих ограничителей; заменяют асинхронные двигатели синхронными той же мощности, если это возможно по технико-экономическим соображениям.

Для уменьшения потерь реактивной мощности в Т_р рекомендуется отключение в резерв Т_р, загруженных менее 40 % номинальной мощности, а также перевод нагрузки на другой трансформатор либо замена на менее мощный.

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) относятся к числу крупных по­требителей реактивной мощности. В значительной мере это объясняется не­обходимостью обеспечить непрерывность горения электрической дуги, что возможно только при наличии индуктивности в цепи ДСП. Достаточный для непрерывного горения дуги угол сдвига по фазе между первыми гармоника­ми тока и напряжения φ_n определяется известным выражением

Значение угла φ_n должно удовлетворять также следующему соотноше­нию, равнозначному предыдущему:

где U_g минимальное необходимое напряжение для горения дуги; U_m ам­плитудное значение напряжения источника питания.

Наличие автоматических регуляторов, позволяющих воздействовать на уровни U_g и U_m, обеспечивает работу ДСП с углами φ_n < 32,5°.

Таким образом, минимально возможное соотношение между реактив­ной и активной мощностями, потребляемыми ДСП без применения регулято­ров, позволяющих изменить соотношение U и U_m, составляет Q_n = 0,637 Р.

На практике в большинстве случаев Q_n > 0,637Р_n, что объясняется на­личием значительных индуктивностей в цепи ДСП.

ДСП относятся к резкопеременным несимметричным нагрузкам. В наибольшей мере резкие изменения нагрузки наблюдаются в начальный период плавки - период расплавления; его продолжительность обычно со­ставляет несколько процентов периода плавки. В последний, самый продол­жительный период (рафинирование) изменения нагрузки небольшие.

Оценивать значения реактивной мощности, потребляемой ДСП, на ос­новании чисто теоретических предпосылок весьма затруднительно из-за влияния конструктивных параметров ДСП, материала электродов, состава скрапа, несимметрии и несинусоидальности режима и ряда других парамет­ров. Поэтому на практике используют усредненные данные, полученные в результате многочисленных измерений на действующих ДСП.

Средние значения tgφ_n за весь период плавки для печей различной ем­кости составляют:

Для печей ДСП-100 и ДСП-200 приведенные значения tgφ_n можно ис­пользовать также при оценке 30-минутного максимума реактивной нагрузки.

Для ДСП меньшей емкости значение tgφ_n, соответствующее 30-минутному максимуму, принимается равным приведенному выше с коэффициентом 0,47. Максимальное значение реактивной мощности имеет место при так на­зываемом эксплуатационном коротком замыкании:

(16.23)

где номинальная мощность печного трансформатора; - кратность эксплуатационного короткого замыкания, соответствующего режиму сопри­косновения электродов с плавящимся металлом.

В настоящее время более 50 % электроэнергии, поставляемой промыш­ленными предприятиями, преобразуется с помощью выпрямителей и инверто­ров; эти устройства именуются вентильными преобразователями (ВП). ВП яв­ляются крупными потребителями реактивной мощности. На основе ВП, как бу­дет показано в дальнейшем, строят современные регулируемые мощности.

В большинстве случаях на предприятиях используются трехфазные мостовые схемы. Изменением угла α (см. рис. 16.2,б) обеспечивается регу­лирование выпрямленного напряжения.

Коэффициент мощности соsφ определяют с учетом не только коэффи­циента сдвига соsφ, но и степени искажения тока :

(16.24)

где

Iv - действующее значение тока v-й гармоники.

Индукционные печи предназначены для расплавления металлов инду­цированными токами, для чего необходимо создание сильных магнитных по­лей. Для этой цели требуется значительная реактивная мощность. На пред­приятиях применяют в основном однофазные печи мощностью до 6 МВт для плавления цветных металлов и до 2 МВт - сталеплавильные печи. Для гене­рирования токов высокой частоты (до 10 кГц) используют главным образом тиристорные преобразователи частоты на напряжения 0,38; 6; 10 кВ. Коэф­фициент мощности индукционных печей весьма низок: от 0,1 до 0,5-0,6, в связи с чем в комплект индукционной печи входят регулируемые батареи конденсаторов.

Установки дуговой и контактной электросварки являются однофазны­ми резкопеременными нагрузками с coscp от 0,2 до 0,6.