Установки компенсации
реактивной мощности

Коррекция коэффициента мощности: зачем?

Электрический ток может иметь следующие характеристики:

• совпадать по фазе с напряжением при наличии резистивной нагрузки (например, на сопротивлениях);
• запаздывать при индуктивной нагрузке (например, на двигателях, компрессорах);
• опережать напряжение при емкостной нагрузке (например, на конденсаторах).

Например, суммарный потребляемый двигателем ток (I) определяется суммой векторов:
I_R, резистивного тока;
I_L, реактивного тока.

Эти токи связаны со следующими типами мощности:

• P, активная мощность, связанная с резистивной составляющей нагрузки;
• Q, реактивная мощность, связанная с индуктивной составляющей нагрузки;
• A, полная мощность.

Реактивная мощность не производит полезную работу и это – дополнительная нагрузка для источника энергии. Показатель, определяющий потребляемую реактивную мощность – коэффициент мощности. Коэффициент мощности определяется как соотношение между активной мощностью и полной мощностью:

При отсутствии гармонических токов коэффициент мощности равен косинусу угла между вектором тока и вектором напряжения (cos φ):

Коэффициент мощности снижается при увеличении потребляемой реактивной мощности.
Использование оборудования с низким показателем cos φ имеет следующие недостатки:

• высокие потери мощности при передаче энергии в электросети;
• высокий уровень падения напряжения;
• необходимость увеличения размеров генераторов, сечения проводников электрических линий и трансформаторов.

Из этого мы понимаем, что важно повысить коэффициент мощности. Установки компенсации реактивной мощности (УКРМ) должны дать этот результат.

Коррекция коэффициента мощности: как?

Устанавливая УКРМ, возможно уменьшить реактивную мощность, потребляемую индуктивными нагрузками в системе и, следовательно, улучшить коэффициент мощности. Желательно иметь cos φ чуть выше 0.9, чтобы избежать уплаты штрафов, предусмотренных за низкий cos φ .
Cos φ не должен быть слишком близок к 1 во избежание перекомпенсации, которая может привести к увеличению помех в сети.
Выбор оборудования для коррекции коэффициента мощности зависит от характера нагрузок и особенностей их установки.
Выбор – между централизованной компенсацией и индивидуальной компенсацией. Индивидуальная компенсация: УКРМ устанавливается в непосредственной близости от каждой нагрузки, где необходимо обеспечить коррекцию.
Централизованная компенсация: устанавливается единый УКРМ на линии подключения всех нагрузок, где необходимо обеспечить коррекцию коэффициента мощности, сразу же после точки замеров показателя cos φ (например, в трансформаторной подстанции или в помещении электрощитовой).
С технической точки зрения, предпочтительнее производить индивидуальную коррекцию коэффициента мощности: УКРМ и потребитель соединены вместе и работают одновременно, вследствие чего регулировка коэффициента мощности тесно связана с нагрузкой, для которой производится коррекция коэффициента мощности. Кроме того, при применении индивидуальной коррекции коэффициента мощности повышается показатель cos φ как во внутренней сети, так и в сети поставщика электроэнергии.Например, при эксплуатации промышленного оборудования применение индивидуальной коррекции коэффициента мощности позволяет добиться экономии путем оптимизации всех внутренних электрических линий на предприятии, питающих устройства-потребители от трансформаторной подстанции, а также путем избежания штрафов за низкий cos .

Другим существенным преимуществом применения этого типа коррекции является более простой и экономичный монтаж, поскольку нагрузка и УКРМ могут подключаться и отключаться одновременно, и могут использовать одни и те же устройства защиты от перегрузок сети и короткого замыкания. Важную роль при выборе оптимального типа коррекции коэффициента мощности играет режим использования нагрузок в течение рабочего дня. Часто в электросетях не все потребители работают одновременно,а некоторые из них работают лишь несколько часов в день. Очевидно, что в этом случае вариант с применением индивидуальной коррекции коэффициента мощности будет слишком затратным в связи с необходимостью установки слишком большого количества УКРМ, когда многие из них большую часть времени будут оставаться в нерабочем режиме.

Применение индивидуальной коррекции коэффициента мощности целесообразно тогда, когда в электросети большая часть реактивной мощности генерируется несколькими мощными устройствами, которые эксплуатируются большую часть рабочего дня.

Централизованную коррекцию коэффициента мощности целесообразно использовать при большом количестве устройств с разнородными нагрузками, которые включаются лишь периодически. В этом случае мощность УКРМ гораздо ниже общей мощности, которую необходимо обеспечить в случае применения индивидуальной коррекции коэффициента мощности. Когда уровень реактивной мощности сильно варьируется во время работы установки, применяется автоматическое регулирование в несколько ступеней.

Коррекция коэффициента мощности: сколько?

Выбор мощности УКРМ (Q_C), которая должна быть установлена на предприятии, напрямую зависит от:

• показателя cos 2, который необходимо обеспечить для оборудования;
• исходного показателя cos 1;
• установленной активной мощности.

Расчеты производятся по формуле: Q_C = P x (tanφ₁ – tanφ₂).Q_C = требуемая расчетная мощность УКРМ (квар);
P = установленная активная мощность (кВт);
Q_L, Q_L’ = реактивная мощность до и после установки УКРМ;
A, A’ = полная мощность до и после коррекции коэффициента мощности (кВА).
Формула может выглядеть следующим образом: QC = k x P,
где показатель k можно легко определить при помощи следующей таблицы

Пример:предположим, что мы установили устройство, активная мощность потребления которого составляет 300 кВт, при начальном коэффициенте мощности 0.7, который необходимо повысить до 0.95, показатель из приведенной ниже таблицы составляет: k = 0.692.
То есть мы получим: Q_C = 0.692 x 300 = 207.6 квар.

Коррекция коэффициента мощности: гармоники в электросетях

Искажения синусоиды (именуемые также гармониками) образуются при эксплуатации нелинейных устройств (инверторов, аппаратов для дуговой сварки, трансформаторов, выпрямителей и т.д.). Их присутствие в сети может вызвать многочисленные проблемы для различных компонентов электроприборов:

• Во вращающихся устройствах могут формироваться вихревые токи (обуславливающие появление вибрации), негативно влияющие на механическую прочность. Рост потерь может спровоцировать нежелательный перегрев с последующим повреждением изоляции.
• В трансформаторах они могут вызвать снижение КПД металлических компонентов.Рост подачи на трансформатор постоянного тока или напряжения может вызвать перенасыщение сердечника с последующим формированием намагничивающих токов.
• Конденсаторы могут перегреваться от перенапряжения, что снижает срок их эксплуатации. Форма волны тока, выработанного нелинейным устройством,может быть представлена как сумма нескольких синусоидальных волн (основной волны частотой 50Гц и других волн с более высокими частотами, иначе называемыми гармоническими волнами). Как правило, не рекомендуется производить коррекцию коэффициента мощности без применения дополнительных фильтров в сетях с сильным присутствием гармоник.Это обусловлено тем, что даже при использовании конденсаторов, способных выдерживать высокие перегрузки (без использования фильтрации помех), может произойти увеличение присутствия гармоник, что тем самым будет провоцировать появление вышеуказанных проблем с другими устройствами.

Наиболее оптимальным решением в этом случае является использование барьерных фильтров (реакторов), представляющих собой серию катушек индуктивности, которые уменьшают показатели количества существующих гармоник и способны защитить конденсаторы, в то же время предотвратив формирование опасного резонанса.

Коррекция коэффициента мощности в случае гармонических искажений тока

В промышленных сетях присутствие нелинейных устройств (инверторов, сварочных аппаратов, люминесцентных ламп, компьютеров, приводных устройств и т.д.) обуславливает искажение тока, числовой показатель которого выражается коэффициентом нелинейных искажений THDI: если речь идет о синусоидальных токах, его показатель THDI равняется нулю. Чем сильнее искажается ток, тем выше его показатель THDI.В электросетях с сильно искаженными токами коррекция коэффициента мощности выполняется в виде фильтров (реакторов), то есть индуктивных катушек, которые не позволяют гармоникам поступать на конденсатор и повреждать его.Коррекция коэффициента мощности: заключение При установке на оборудование с коэффициентом мощности менее 0.9, УКРМ окупается в течение нескольких месяцев.

Помимо предотвращения штрафов, связанных с оплатой счетов за электроэнергию,можно отметить следующие преимущества использования УКРМ с технической и финансовой точек зрения:

• снижение потерь электроэнергии в сети и на трансформаторах в связи со снижением потребления тока;
• снижение перепадов напряжения в сети;
• увеличение производительности оборудования.

При производстве наших систем коррекции коэффициента мощности мы используем трехфазные конденсаторы из металлизированного полипропиленас самовосстанавливающимся покрытием.

Их существенное отличие от стандартных полипропиленовых конденсаторов заключается в способе металлизации диэлектрической пленки: если в стандартных конденсаторах толщина металлического слоя, нанесенного на пленку, является одинаковой, то в конденсаторах ORTEA толщина металлического слоя подбирается исходя из расчета величины электрического тока, проходящего через данный сегмент металлизированной пленки.

Формирование дополнительной толщины металлического слоя позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики конденсаторов (а, следовательно, и системы коррекции коэффициента мощности, так как именно конденсаторы являются ее основным компонентом), а именно:

• повысить удельную мощность (кВА/дм3)с последующим уменьшением размеров УКРМ;
• повысить устойчивость оборудования к постоянным и временным перегрузкам,что делает его более надежным при перепадах напряжения в электросети;
• повысить защиту при возникновении короткого замыкания в системе.

Контроллер, наряду с конденсаторами и фильтрами, является одним из основных компонентов в системе автоматической коррекции коэффициента мощности. Это устройство предназначено для выявления фазового сдвига тока, поступающего на нагрузку. Оно подает команду на включение или отключение конденсаторных батарей, поддерживая необходимую величину коэффициента мощности.

Контроллеры, используемые для автоматических систем коррекции коэффициента мощности ORTEA, спроектированы для поддержания требуемых показателей коэффициента мощности, а также для одновременного снижения воздействия на конденсаторные батареи; точные и надежные при проведении замеров и регулировании, они просты и интуитивно понятны при монтаже и эксплуатации.

Многофункциональность контроллеров позволяет изменять все параметры логического управления УКРМ для индивидуальной настройки его работы, учитывая характеристики нагрузки (пороговые значения коэффициента мощности, скорость срабатывания батарей, время ожидания перед повторным включением батареи, наличие фотогальванических элементов и т.д.).

Используемые компанией «ORTEA» контроллеры отличаются существенными преимуществами с точки зрения технического обслуживания и управления УКРМ. Это связано со способностями выявлять и эффективно решать проблемы оборудования, которые могут привести к повреждению отдельных узлов и их выходу из эксплуатации.