Коэффициент использования производственной мощности

Около 70% всей вырабатываемой в нашей стране электрической энергии потребляется приемниками промышленных предприятий. Приемниками электрической энергии называются аппараты, агрегаты, механизмы, предназначенные для преобразования электрической энергии в другой вид энергии. Мощность, которую получает нагрузка, является продуктом напряжения и электрического тока, скорректированного на коэффициент использования производственной мощности. Последний, так или иначе, связан с количеством фаз.

Формула расчета коэффициента мощности

В настоящее время электроснабжение промышленных предприятий ведется на переменном трехфазном напряжении. Линейное и фазное напряжения обычно отличаются друг от друга в любом случае.

Производственная мощность

Центральная аксиома теории цепей заключается в том, что мощность пропорциональна произведению напряжения и тока. Чем больше ток нагрузки, тем большую электрическую мощность она получает. В случае насоса, чем больше тока он потребляет, тем больше жидкости может перекачивать, тем самым повышаются технические показатели, в том числе и производственная мощность.

Проблема, однако, возникает из-за того, что потребителям электроэнергия передается переменным, а не постоянным током. Это приносит некоторые важные преимущества нескольким видам электрических машин, но и имеет некоторые недостатки.

Один из недостатков заключается в том, что ток должен оставаться в фазе с напряжением. Если он отстает от фазы, то мощность для нагрузки будет меньше, чем это следовало бы. Теоретически ток может чередоваться с фазой с аналогичной неэффективностью, но отстающий случай более типичен, поэтому чаще рассматривается случай отставания.

В системе переменного напряжения ток следует также волнообразно, как изменяется напряжение в течение определенного периода времени. Но если ток не достигнет своего пика одномоментно с напряжением, то мощность будет обеспечена в меньшей степени, чем это следовало бы. На картинке для примера показан график тока (красная синусоида) и напряжения (синяя синусоида) для индуктивной нагрузки.

Ток опережает напряжение

Действительно, если ток отстает от напряжения на четверть цикла (всего лишь 1/240 секунды), он не дает никакой реальной мощности вообще. Потребуется довольно интенсивный обзор тригонометрии, чтобы объяснить этот вопрос в тонкой аналитической детализации, но в целом его не так сложно понять, исходя из формул связи и соотношений физических величин.

Взаимосвязь параметров цепи

Мощность, которая фактически потребляется в цепи, называется активной или реальной. Она обозначается P. Ваттметры указывают на активную мощность схемы. Ток в фазе с напряжением создает истинную (активную) мощность. Следовательно, формула для вычисления выглядит так:

P = U* I *cos φ.

Активная мощность производит тепло в нагревателях, крутящий момент в двигателях, свет в лампах и выражается в ваттах или киловаттах. Реактивная составляющая тока (т. е. I*sin φ) при умножении на напряжение цепи приводит к реактивной мощности, которая обозначается Q. Следовательно, данная физическая величина равна:

Q = U* I* sin φ

и выражается она в VAR (реактивных вольт-амперах) или KVAR (реактивных киловольт-амперах). Реактивная мощность не делает никакой полезной работы в цепи: она подается источником в течение первого полупериода и возвращается к источнику в течение следующего полупериода. Именно этот параметр определяет cos φ.

Произведение среднеквадратических значений тока и напряжения называется полной мощностью S, которая измеряется в VA (вольт-амперах) или KVA (кило-вольтамперах) и вычисляется по формуле:

S = U*I.

Что такое cos φ

Коэффициент использования мощности

Данный параметр цепи переменного тока определяется всего лишь как косинус углового смещения между напряжением и током. А именно:

1. В случае чистой резистивной цепи переменный ток находится в фазе с приложенным напряжением, т.е. φ = 0. Поэтому cos φ чистого резистивного контура равен 1;
2. В случае чистой емкостной или чистой индуктивной схемы ток 90o не в фазе с напряжением цепи, т.е. φ = 90o. Следовательно, cos φ схемы равен нулю.

В случае индуктивных нагрузок (таких, как двигатели, трансформаторы …, все, что имеет обмотки) ток будет отставать от приложенного напряжения. Для емкостных нагрузок (конденсаторов) ток будет опережать приложенное напряжение.

Поскольку мощность цепи определяется соотношением:

P = U* I *cos φ или I = P / (U*cos φ),

то при фиксированной мощности при постоянном напряжении ток увеличивается с уменьшением cos φ.

Проблемы низкого cos φ

Параметр cos φ очень важен для каждой энергосистемы или компании, поскольку он помогает поддерживать индуктивную нагрузку. При cos φ, меньшим единицы, увеличивается «недостающая» мощность, известная как реактивная. Последняя необходима для обеспечения поля намагничивания, требуемого для двигателей и других индуктивных нагрузок, выполняющих свои функции.

Плохой cos φ обычно является результатом значительной разности фаз между напряжением и током на клеммах нагрузки, или это может быть связано с высоким содержанием гармоник или искаженной формой тока.

Коэффициент мощности:

• 100% является идеальным и имеет место, когда ток не отстаёт от напряжения;
• 90% обычно считается приемлемым;
• 80% применяется в зависимости от приложения;
• менее 80% обычно накладывает затруднения.

Cos φ равен 80%, это означает, что 80% мощности действительно доставлено. Что происходит с другими 20%? Остальные 20% не теряются, остаются в системе. Это небольшая величина, но может повредить подшипникам электродвигателя и генератора. Если нужен cos φ =100%, то для исправления коэффициента набирают 125% требуемого тока, чтобы восполнить разницу.

Можно отметить основные недостатки низкого cos φ в цепи переменного напряжения:

• проводники должны выдерживать больше тока при одинаковой мощности, поэтому они требуют большей площади поперечного сечения;
• проводники должны выдерживать больше тока для той же мощности, что увеличивает потери и приводит к низкой эффективности системы;
• падение напряжения увеличивается, что приводит к плохой регулировке системы.

Проблема с низким cos φ заключается в том, что это заставляет нагрузку натягивать дополнительный ток. Последний требует более тяжелых проводов, которые дорого стоят. Полная мощность увеличивается, это означает, что энергоснабжающая компания должна предоставить больше мощности. Поэтому энергоснабжающая компания выставляет дополнительный счет промышленным потребителям с плохим cos φ.

Кабельная линия с плохим cos φ имеет плохое влияние на проводники, которые становятся горячими, а тепловыделение высоким. Это заставляет энергоснабжающую компанию производить больше электроэнергии, чтобы компенсировать спрос потребителей. Себестоимость электроэнергии будет возрастать, стоимость оборудования также будет увеличиваться. Если есть возможность увеличить cos φ, тогда только можно избежать штрафа и всех этих проблем.

Cos φ по ГОСТу

Решение проблемы низкого cos φ

Понимание коэффициента мощности очень простое, если осознать природу индуктивности и конденсатора. Коэффициент мощности наблюдается только в индуктивных или емкостных схемах. Что касается производства, то для него обычно корректируется cos φ добавлением конденсаторов.

В интересах уменьшения потерь в распределительной системе добавляется коррекция коэффициента мощности для нейтрализации части тока намагничивания двигателя. Как правило, скорректированный коэффициент мощности будет 0,92-0,95.

Электрооборудование и машины, подключенные к энергосистеме, такие как трансформаторы, переключающие механизмы, генераторы переменного тока, обычно имеют более низкие значения cos φ. Для повышения данного показателя цепи переменного тока конденсатор подключается параллельно цепи. В случае цепи постоянного тока cos φ равен нулю, так как индуктивная и емкостная реактивность равны нулю из-за нулевой частоты.

Предпочтительно использовать коммутируемый конденсаторный блок в системе. Таким образом, коммутируемый конденсаторный блок обычно устанавливается в первичной сети силовой подстанции, что также помогает улучшить мощность всей системы. Банк конденсаторов может автоматически включаться и выключаться в зависимости от состояния различных системных параметров.

Когда коэффициент мощности системы находится ниже заданного значения, банк автоматически включается для улучшения коэффициента мощности. Функция конденсаторной батареи заключается в том, чтобы компенсировать или нейтрализовать реактивную мощность системы.

Производственная мощность

Коэффициент использования установленной мощности – важнейшая характеристика эффективности работы предприятий электроэнергетики. Любая система с cos φ, близким к 1, считается хорошей или превосходной системой, тогда как любая система с cos φ, близким к 0 (например, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6), считается плохой системой, за что организация должна заплатить что-то в качестве штрафа в пользу энергоснабжающей компании, потому что это накладывает серьезные издержки на сторону подачи питания.

Зависимость КПД от cos φ

Видео