Статьи / Увеличение энергоэффективности путем компенсации реактивной мощности

Необходимость увеличения энергоеффективности промышленного производства становится все более актуальной. Это обусловлено все большим дефицитом и увеличением стоимости энергоресурсов, ростом объемов производства и в конце концов необходимостью увеличения конкуретноспособности предприятия за счет уменьшения энергоемкости производства.

 

Большинство промышленных потребителей электроэнергии наряду с активной мощностью потребляют и реактивную мощность, которая расходуется на создание электромагнитных полей и является бесполезной. Наличие в электросети реактивной мощности снижает качество электроэнергии, приводит к увеличению платы за электроэнергию, дополнительным потерям и перегреву проводов, перегрузке подстанций, необходимости завышения мощности силовых трансформаторов и сечения кабелей, просадкам напряжения в электросети.

 

В настоящее время нагрузкой электрической сети переменного тока промышленных предприятий в основном являются асинхронные двигатели и распределительные трансформаторы, имеющие значительную индуктивность. Поэтому данные устройства в процессе работы за счет ЭДС самоиндукции генерируют реактивную мощность, которая, совершая колебательные движения от нагрузки к источнику (генератору) и обратно, распространяется по сети.

 

Индукционные приемники энергии или потребители реактивной мощности

• Трансформатор. Он является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от источника электрической энергии до потребителя и предназначен для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности.
• Асинхронный двигатель. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 65% реактивной мощности энергосистемы.
• Индукционные печи. Это крупные электроприемники, требующие для своего действия большое количество реактивной мощности. Индукционные печи промышленной частоты часто используются для плавки металлов.
• Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей. Данные установки широко применяются на промышленных предприятиях и железнодорожном транспорте, использующем постоянный ток.

Потребителя обычно интересует активная мощность в нагрузке, которая и определяет полезную работу. Генерация нагрузкой реактивной мощности повышает полную мощность, проходящую по сети. Полная мощность (S) равна корню из геометрической суммы P — активной мощности и Q — реактивной мощности.

 

Генерация реактивной мощности нагрузкой сопровождается отрицательными явлениями, такими как:

• повышение активных потерь (т. к. величина полной мощности повышается);
• снижение нагрузочной способности (т. к. увеличивается токовая нагрузка на питающий кабель и распределительный трансформатор);
• большее падение напряжения (из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).

Хотя на выработку реактивной мощности не тратится энергия генератора, но для передачи ее по сети требуется дополнительная, активная энергия генератора. Дополнительный реактивный ток, проходя по сети, вызывает не только активные потери мощности в проводах сети и генератора, но и уменьшает допустимую активную составляющую тока питающей сети, т. к. сечение питающего кабеля рассчитано под максимальную нагрузку. Уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом характеризуется коэффициентом мощности cos φ — это численное отношение активной мощности к полной мощности: cos φ = P/S. Например: cos φ асинхронных двигателей составляет примерно 0,7; cos φ сварочных трансформаторов — примерно 0,4; cos φ станков не превышает 0,5 и т. д. Поэтому полное использование мощностей сети возможно только при компенсации реактивной составляющей мощности.

 

К чему приводит отсутствие компенсации реактивной мощности у потребителей

• У трансформаторов при уменьшении cos φ уменьшается пропускная способность по активной мощности вследствие увеличения реактивной нагрузки.
• Увеличение полной мощности при снижении cos φ приводит к возрастанию тока и, следовательно, потерям мощности, которые пропорциональны квадрату тока.
• Увеличение тока требует повышения сечений проводов и кабелей, растут капитальные затраты на электрические сети.
• Увеличение тока при снижении cos φ ведет к увеличению потери напряжения во всех звеньях энергосистемы, что вызывает понижение напряжения у потребителей.
• На промышленных предприятиях понижение напряжения нарушает нормальную работу электроприемников. Снижается частота вращения электродвигателей, что приводит к снижению производительности рабочих машин, уменьшается производительность электрических печей, ухудшается качество сварки, снижается световой поток ламп, уменьшается пропускная способность заводских электрических сетей, а как итог - ухудшается качество продукции.

 

Применение емкосных компенсаторов реактивной мощности позволяет снизить объем потребляемой индуктивной реактивной мощности и добиться экономического эффекта в вопросах энергосбережения. Существует несколько способов снижения реактивной мощности, однако применение для этих целей именно конденсаторных установок представляется наиболее предпочтительным. Конденсаторные установки имеют малые потери, просты в наладке и эксплуатации, их можно подключить в любой точке электросети. С их помощью можно компенсировать практически любой объем реактивной мощности.

 

Принцип работы емкостного компенсатора реактивной мощности заключается в том, что реактивная мощность при этом уже не перемещается между генератором и нагрузкой, а совершает локальные колебания между реактивными элементами — индуктивными обмотками нагрузки и емкостным компенсатором. При этом для снижения потерь, вызываемых перетоком реактивной мощности, необходимо компенсатор располагать как можно ближе к нагрузке.

 

В качестве коммутирующего элемента в конденсаторных установках могут применяться контакторы или тиристоры.

 

Контакторные конденсаторные установки получили наиболее широкое распространение в силу более простой реализации и низкой стоимости по сравнению с тиристорными (статическими) конденсаторными установками. Однако на промышленных предприятиях довольно часто нагрузка имеет резкопеременный характер, в таких случаях контакторные компенсаторы малоэффективны из-за недостаточного быстродействия механики контакторов. Более того, контакторы имеют ограниченное расчетное количество срабатываний, что при интенсивных переключениях приводит к преждевременному выходу из строя компенсатора.

 

Указанных выше недостатков контакторных компенсаторов лишены тиристорные компенсаторы реактивной мощности. Тиристоры обладают гораздо большим быстродействием, что позволяет выполнять компенсацию реактивной мощности в условиях быстропеременной нагрузки. А также не имеют ограничений на количество переключений, так как являются полностью электронными элементами, без движущихся механических частей. А то, что коммутация конденсаторов в тиристорных конденсаторных установках происходит при нулевом значении тока, значительно увеличивает срок службы как конденсаторных батарей, так и всей установки в целом.

 

НПП «Миконт» производит тиристорные компентаторы реактивной мощности (ТКРМ) в диапазоне 50 ... 1000 кВАр для трехфазных электрических сетей 380 В и 660 В.

 

 

Тиристорный компенсатор ТКРМ-500/0,4-07-90-Д-УХЛ4

номинальная мощность 500 кВАр,

напряжение питания 380 В, номинальный потребляемый ток 750 А

 

 

Тиристорный компенсатор ТКРМ-500/0,4-07-90-Д-УХЛ4

(компоновка шкафов - вид спереди)

 

Тиристорный компенсатор ТКРМ-500/0,4-07-90-Д-УХЛ4

(компоновка шкафов - вид сзади)

 

Модуль тиристорного компенсатора мощностью 120 кВАр

Состав: емкости компенсации, предохраниети, тиристоры,

формирователь импульсов управления тиристорами,

антирезонансные реакторы

 

ТКРМ-500/0,4-07-90-Д-УХЛ4 является законченным комплектным устройством, однако требует подключения трансформаторов тока по двум фазам для измерения и регулирования мощности. Состоит из системы управления, панели индикации, четырех  регулируемых блоков и одного нерегулируемого блока с конденсаторами.

 

Тиристорный компенсатор реактивной мощности укомплектован вводным автоматическим выключателем, обеспечивающим защиту ТКРМ от сверхтоков, а также защиту оборудования подстанции от внутренних коротких замыканий в ТКРМ.
Каждый из конденсаторных блоков снабжен дополнительно предохранителями, установленными в двух фазах. Предохранители обеспечивают селективную защиту ТКРМ от сверхтоков внутри отдельных блоков. Защита от перенапряжений осуществляется блоком варисторов, которым укомплектован стационарный блок. Микропроцессорная система управления укомплектована внутренними датчиками, позволяющими отследить пропадание напряжения собственных нужд и отключить ТКРМ.

 

На панели индикации отображаются следующие параметры:

• линейное напряжение a-b, В;
• линейное напряжение b-c, В;
• ток нагрузкм фазы а, А;
• ток нагрузки фазы с, А;
• ток конденсаторной батареи фазы а;
• ток конденсаторной батареи фазы с;
• коэффициент мощность (cos φ);
• реактивная мощность, вКАр;
• активная мощность, кВт;
• полная мощность, кВА.

В современных сетях электроснабжения из-за нелинейности нагрузки  (например при работе импульсных стабилизаторов и преобразователей электроэнергии) возникают высшие гармоники тока, которые по своей величине часто становятся соизмеримыми с основной гармоникой.  Конденсаторы установок компенсации реактивной мощности в совокупности с индуктивностью нагрузки могут образовывать колебательные контуры, близкие по частоте резонанса к частоте одной из высших гармоник. Это приводит к значительному увеличению тока конденсаторов и существенно сокращает их срок службы. Перенапряжения, возникающие при резонансе на элементах конденсаторной установки и нагрузки могут привести к пробою изоляции. Для устранения подобных проблем, а также для оптимизации характеристик компенсатора, до внедрения ТКРМ выполняется исследование электросети заказчика. Для подавления резонансов применяются реакторы, настроенные на частоту наиболее значительных гармоник.

 

Ниже приведены реальные результаты исследования электросети потребителя до и после внедрпения ТКРМ.

 

Суточный график потребления активной (P) и реактивной (Q) мощности производственного участка

до внедрения компенсатора реактивной мощности

 

Суточный график коэффициента мощности (cos φ) производственного участка

до внедрения компенсатора реактивной мощности

 

Суточный график потребления активной (P) и реактивной (Q) мощности производственного участка

после внедрения компенсатора реактивной мощности

 

Суточный график коэффициента мощности (cos φ) производственного участка

после внедрения компенсатора реактивной мощности

 

Технические характеристики моделей тиристорных компенсаторов реактивной мощности