2.2. Повышение коэффициента мощности в электрических цепях переменного тока

Большинство промышленных потребителей переменного тока носят активно-индуктивных характер. Некоторые из них работают с низким коэффициентом мощности (cosφ):

.

Энергетический процесс в цепи, содержащей R и L, складывается из двух энергетических процессов: во-первых, энергия передается от источника в активную нагрузку с сопротивлением R, где она необратимо преобразуется в другие виды энергии: во-вторых, совершается периодический процесс обмена энергией между источником и магнитным полем приемника. Чем меньше cosφ, тем большую роль играют эти бесполезные колебания энергии.

Для уменьшения реактивной мощности и повышения коэффициента мощности параллельно потребителю включают батарею конденсаторов или синхронный компенсатор, при этом общая реактивная мощность уменьшается так, как:

,

и тем самым, увеличивается коэффициент мощности. Повышение коэффициента мощности приводит к уменьшению тока в проводах линии, соединяющей потребитель с источником энергии. За счет этого снижаются потери энергии и соответственно, стоимость израсходованной энергии, т.е. эксплуатационные расходы предприятия.

Если электрическая установка спроектирована с высоким cosφ, то оборудование (источник, коммутирующая аппаратура, линия электропередачи и др.), может быть выбрано на меньшие токи, чем при низком cosφ, что в свою очередь, снижает капитальные затраты. Из этого следует, что проблема повышения коэффициента мощности имеет большое народнохозяйственное значение.

Способ повышения коэффициента мощности с помощью конденсаторов может быть пояснен следующим образом. Пусть к питающей сети подключен приемник с R_n и L_n, потребляющий ток I_n (рис.18 а), при сдвиге фаз φ_n.

Рисунок 18. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) потребителя батареи конденсаторов

Если параллельно приемнику подключить конденсатор емкостью С (рис. 18 а), то приемник будет потреблять из сети меньший ток (I<I_n ) при том же значении активной составляющей тока, а следовательно, и активной мощности. Это происходит за счет частичной компенсации реактивной составляющей тока I_пp током емкости (рис.18 б), в результате чего сдвиг фаз между напряжением и новым значением тока уменьшается до φ<φ . Следовательно,

.

Обычно при помощи батареи конденсаторов компенсацию угла сдвига фаз осуществляют не полностью, повышая cosφ до 0,9-0,96.

3. Лабораторная установка

Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде. Источником питания служит автотрансформатор, с помощью которого можно изменять напряжение от 0 до 250В. Катушка индуктивности, батарея конденсаторов, реостаты и амперметры установлены на стенде. В качестве вольтметра используется ампервольтметр АВО-63 или мультиметр ВР-11.

Внимание:

1. Перед подачей напряжения на схему установить регулятор ЛАТРа в крайнее левое положение.

2. Измерение напряжения начинать на максимальном пределе измерения, если показания приборов будут малы, последовательно переходить на меньший предел измерения.

4. Программа работы

4.1. Экспериментальная часть

1. Ознакомиться с лабораторной установкой и измерительными приборами. Определить цену деления измерительных приборов.

2. Собрать электрическую цепь по схеме рис 19.

Рисунок 19. Принципиальная схема экспериментальной установки

3. После проверки схемы преподавателем включить ее и исследовать при трех вариантах (режимах) работы:

1. при работе одной ветви с резистором R₁ и катушкой L, если С=0 мкф;

2. при включении параллельной ветви с конденсатором емкостью С≠0 мкф отличного от нуля (см. таблицу 2.2);

3. при включении конденсатора емкостью С другого по значению (см. таблицу 2.2).

При выполнении лабораторной работы необходимо обратить внимание:

• как изменяется ток в неразветвленной части цепи I при включении конденсаторов и изменении их емкости;

• как изменяются токи I₁ и I₂, а также активная мощность Р при включении конденсаторов и изменении их емкости;

• что в отличие от цепи постоянного тока, уравнение для узла цепи по первому закону Кирхгофа справедливо здесь для векторных величин токов, т.е.:

.