Коэффициент мощности

Энергетические процессы в электрических цепях синусоидального тока рассматривают, используя понятия полной, активной и реактивной мощностей, которые образуют треугольник мощностей (рис. 3.32).

Генераторы, электрические машины и аппараты конструктивно рассчитаны для работы при определенных значениях тока и напряжения. Поэтому их характеризуют полной мощностью S=UI.

Активная мощность P=UIcosφ имеет всегда только положительные значения (Р>0) и определяет энергию, поступающую от генератора, но не возвращающуюся к нему, а преобразуемую потребителем в другие виды энергии. Потребителями активной мощности являются лампы накаливания, электропечи сопротивления, синхронные двигатели, работающие при cosφ=1 и т.д.

Реактивная мощность Q=UIsinφ присутствует в цепях с реактивными индуктивными и емкостными элементами. Она определяет скорость обмена энергией между генератором и приемником. В случае, когда Q> 0, энергия поступает от генератора к потребителю, если же Q<0, то энергия возвращается к генератору, загружая провода линий электропередач (ЛЭП) встречными токами, что нежелательно.

Но большинство приемников нуждаются в реактивной энергии, необходимой для создания магнитных полей. Потребителями реактивной энергии являются трансформаторы, линии электропередачи, реакторы, асинхронные двигатели, индукционные печи и др. 80-85% всей реактивной энергии потребляют асинхронные двигатели (~60%) и трансформаторы (~25%). Остальную часть реактивной энергии потребляют индукционные печи, сварочные трансформаторы, люминесцентные лампы, линии электропередачи и пр.

Таким образом, для обеспечения работы большинства приемников необходимо передавать реактивную энергию. И в то же время, экономический ущерб, вызванный передачей реактивной энергии, достигает внушительных цифр (увеличение сечения проводов, потери мощности при протекании больших значений токов). Следовательно, необходимо принимать меры для снижения реактивной мощности, или, как это следует из треугольника мощностей (рис. 3. 12), повышать коэффициент мощности

.

Для снижения реактивной мощности (увеличения коэффициента мощности) необходимо применять электродвигатели и электрическое оборудование с высоким коэффициентом мощности и осуществлять работу оборудования с полной нагрузкой. Потребители, работающие в номинальном режиме, обычно имеют коэффициент мощности

Кроме этого, коэффициент мощности можно увеличивать путем компенсации реактивной мощности непосредственно у потребителей, что значительно разгружает генератор от выработки, а звенья электропередачи – от передачи реактивной энергии.

В общем случае к генератору с напряжением U подключена нагрузка (рис. 3.32, а), которая в промышленном масштабе всегда имеет активно-индуктивный характер (R_н, L_н).

На векторной диаграмме (рис. 3.32, б) показан угол сдвига фаз φ₁ между напряжением генератора U_г и током в нагрузке I_н. Для уменьшения угла сдвига фаз (увеличения коэффициента мощности ) параллельно нагрузке подключают батарею конденсаторов С_к, ток которой I_Ск опережает напряжение на угол 90° и в результате сдвиг фаз уменьшается и становится равным φ.

Увеличение коэффициента мощности уменьшает ток линии электропередач I и уменьшает потери мощности при передаче энергии от генератора к нагрузке. При данной активной мощности приемника, ток в линии тем меньше, чем выше коэффициент мощности

.

При помощи компенсирующих устройств (батареи конденсаторов или синхронных двигателей, работающих в режиме перевозбуждения) повышение коэффициента мощности осуществляют до величины . Еще большее повышение коэффициента мощности экономически не выгодно.