В настоящей работе факторы недостоверности составили Rp= 2,1%, Rwp=1,6%, χ2= 2,9.

По уточнённым значениям координат атомов в молекуле N-оксида 2- (4-диметиламиностирил)пиридина были рассчитаны длины и углы связей, значения которых хорошо согласуются с литературными данными и находятся в области ожидаемых значений. Молекула исследуемого соединения не является плоской, угол поворота плоскости N-оксида пиридина относительно бензольного кольца составляет 43°. В кристаллической решётке молекулы образуют зигзагообразные цепочки вдоль оси с. Кратчайшее расстояние между молекулами в цепочке составляет 2,192 Å, а между параллельными цепочками – 2,782 Å.

Таким образом, исследуемое соединение N-оксида 2-(4-диметилами- ностирил)пиридина кристаллизуется в моноклинной сингонии, пространственная группа P21, уточнённые значения периодов a = 6,459(5) Å, b = 6,859(1) Å, c = 14,252(1) Å, β = 91,3(8). Объём ячейки V = 631,2 Å3,

число молекул на элементарную ячейку Z = 2.

Данные о структуре планируется передать в Cambridge Structural Database.

Работа была выполнена в рамках Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012–2016 гг.

СЕКЦИЯ «ЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОФИЗИКА»

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Д. О. Ефимов, студ. 3 курса

Научный руководитель – к. ф.-м. н. А. А. Тихомиров

Введение

Известно, что электрическая энергия состоит из двух частей: активной и реактивной. Первая преобразуется в различные виды полезной энергии (тепловую, механическую и пр.), вторая – создаёт электромагнитные поля в нагрузке (трансформаторы, электродвигатели, дроссели, индукционные печи, осветительные приборы). Несмотря на необходимость реактивной энергии для работы указанного оборудования, она дополнительно нагружает электросеть, увеличивая потери активной составляющей. Для решения этой задачи (уменьшение реактивной части энергии) были разработаны и сегодня широко используются во всём мире установки компенсации реактивной мощности. Они снижают значения потребляемой мощности за счёт выработки реактивной составляющей непосредственно у потреби-

310

теля и бывают двух видов: индуктивные и емкостные. Индуктивные реакторы обычно применяют для компенсации наведённой емкостной составляющей (например, большая протяженность воздушных линий электропередачи и т. п.). Конденсаторные батареи применяются для нейтрализации индуктивной составляющей реактивной мощности (индуктивные печи, асинхронные двигатели и др.).

Цель:

Исследование эффекта электромеханической компенсации реактивной мощности

Задачи:

−Теоретический расчет электромеханического компенсатора реактивной мощности;

−Сборка электромеханического компенсатора реактивной мощности;

−Проведение экспериментальных исследований;

−Анализ полученных результатов.

Сейчас уже существуют различные вариации компенсаторов реактивной мощности, которые применяются на практике, наиболее распространены из них следующие.

Модели компенсаторов:

−Блоки конденсаторов. (Недостатком является большая стоимость и габариты.)

−Синхронные генераторы-компенсаторы. (Недостатком этого компенсатора является сложность конструкции и большие габариты.)

В электрических сетях типовая нагрузка (двигатели, трансформаторы, электромагниты, дроссели и т. д.) имеют индуктивный характер. Таким образом, ток отстает по фазе от напряжения, при этом реактивная мощность, т. е. средняя за период мощность, равна нулю. В то же время как в нагрузке, так и в источнике протекает ток, что является отрицательным эффектом.

Мгновенная мощность U(t)*I(t) полпериода положительна (забирается от сети на создание магнитного поля), а другие полпериода отрицательна (отдается в сеть от энергии магнитного поля в индуктивности). Эту мощность принято называть реактивной Q=Uд*Iд*sin(φ). Для компенсации реактивной мощности чаще всего ставят конденсаторы. Однако емкости имеют большие габариты и стоимость.

Теоретические расчеты

Электродвижущая сила E(t), индуцированная в обмотках, равна

E(t) =V (t)2BnL ,

311

где B – индукция магнитного поля, L – длина паза, n – общее число сетевых витков в пазах, V(t) – скорость перемещения магнита, определяемая из уравнения второго закона Ньютона:

		F = m dV = 2IBnL ,
				dt
I =	m	* dV	=	m	* dU	= C * dU	,
	2BnL			2 2 2
		dt		4B n L	dt	dt

где m – масса магнитов, U – напряжение сети, С – эффективная емкость, создаваемая компенсатором.

Таким образом, сетевой ток пропорционален производной от напряжения, что соответствует емкостной нагрузке:

C =	m	.
	2 2 2
	4B n L

Физически часть периода переменного тока энергия от электрической сети переходит в кинетическую энергию поступательного движения электромагнитов, другую часть периода – возвращается в электрическую сеть.

В формуле для эффективной емкости масса рамки m, стоящая в числителе, напрямую связана с длиной проводника, из которого будет изготовлена рамка. Для того чтобы увеличить емкостное сопротивление, необходимо уменьшить емкость, а для этого целесообразно уменьшить массу.

m = ρ *V = ρ * sсеч * L*n

C =	ρ * sсеч
	4* B2 * L*n

где ρ – плотность материала проводника, V – объем проводника, L – длина витка, n – число витков в рамке, B – индукция магнитного поля, n – число витков в рамке.

Из полученной формулы видно, что емкость зависит от длины проводника, из которого изготовлена рамка, и от внешнего магнитного поля. Сечение проводника выбирается по тому току, который необходимо пропустить, а плотность зависит только от материала проводника, поэтому эти величины можно принять постоянными.

Компенсатор, собранный на физико-техническом факультете, состоит из железных сердечников, которые расположены в ряд таким образом, что между ними помещены электромагниты, каждый сердечник имеет секционную обмотку, намотанную посередине сердечника. Электромагниты включаются в сеть последовательно. Секционная обмотка

312

подключена параллельно к электрической сети через автотрансформатор и выпрямитель, что позволяет получить эффективную мощность в соответствии с формулой:

C =	m	,
	2 2 2
	4B n L

где B – индукция магнитного поля, L – длина витка, m – масса электромагнитов, n – общее число сетевых витков в пазах.

Для данного компенсатора произведены теоретические расчеты эффективной емкости, емкостного сопротивления и реактивной мощности после её компенсации (табл. 1).

Таблица 1

Расчет эффективной мощности получаемой в компенсаторе

I, A	В, Тл	С, ф	Хс	Qc, ВАр	QL, ВАр	Qтеор, ВАр
32	0,278	0,0777	0,0389	318	1759	1441
44	0,404	0,0434	0,0734	843	2467	1624
68	0,624	0,0182	0,175	2379	2921	542

Благодаря такому строению компенсатора возможно повышение КПД электроснабжения, уменьшение габаритов по сравнению с существующими аналогами, и также при замене автотрансформатора на логический контроллер есть возможность подключать несколько секций одного компенсатора в зависимости от того, какую реактивную мощность в сети необходимо скомпенсировать.

Область применения предлагаемого электромеханического компенсатора реактивной мощности – электроснабжение промышленных и бытовых объектов.

Практические результаты

На собранном прототипе была проведена серия экспериментов, в которых задавали значение тока на секционной обмотке, и изменяли напряжение на обмотках электромагнита, при этом регистрировали на экране осциллографа сдвиг фаз между током и напряжением на рамках.

Параметры компенсатора:

−ширина 0,25 м,

−длина 0,4 м,

−высота 0,35 м,

−ширина зазора между секциями 0,01 м,

−секционная обмотка – 156 витков R=0,49 Ом.

313

Рамки (обмотки		электромагнитов) 20		витков в каждой			рамке,
R = 0,13 Ом, L = 684 мкГн (сопротивление и индуктивность измерены
для последовательного соединения рамок) (табл. 2).
						Таблица 2
Результаты экспериментальных измерений
			Uд рамка, V		Iд рамка, A		φ, ˚
Iоб, A		32	11		90		72
			15		119		72
			21		155		72
			Uд рамка, V		Iд рамка, A		φ, ˚
Iоб, A		44	11		107		63
			13		121		63
			17		152		63
Iоб, A			Uд рамка, V		Iд рамка, A		φ, ˚
68			10		117		18

Для данного эксперимента был произведен расчет реактивной мощности, после компенсации (табл. 3).

Таблица 3

Расчет реактивной мощности после компенсатора для начальных точек каждого измерения

I, А	Uд,В	Iд, A	φ	Qпракт
32	11	91	72	947
44	11	107	63	1074
68	10	117	18	360

Также для данного опыта построили зависимости коэффициента мощности и угла между током и напряжением от тока намагничивания.

Из этих зависимостей выяснили, что величина тока в рамках электромагнитах практически не влияет на величину генерируемой эффективной емкости, что делает возможным независимо от рабочего тока регулировать ток подмагничивания для установления необходимой эффективной емкости.

Заключение

По результатам эксперимента видно, что сдвиг между током и напряжением на рамке не зависит от значения этих параметров на самой рамке, а зависит от тока на секционной обмотке, которая создает магнитное поле. Также наглядно видно изменение сдвига между током и напряжением в рамке, что свидетельствует о наличии эффекта компенсации реактивной мощности, что и являлось целью данной работы.

314