Przyczyny obniżenia współczynnika mocy i metody jego poprawy

Techniczna i ekonomiczna wartość współczynnika mocy

Wartość współczynnika mocy charakteryzuje stopień wykorzystania mocy czynnej źródła prądu. Wyższy współczynnik mocy odbiorników elektrycznych, tym lepsze są generatory elektrowni i ich napędy (turbiny itp.), transformatory podstacyjne i sieci elektroenergetyczne.

Niskie wartości cos phi (cos phi) przy tych samych wartościach mocy czynnej prowadzą do dodatkowych kosztów budowy mocniejszych stacji, podstacji i sieci, a także do dodatkowych kosztów eksploatacyjnych.

Prawdziwa moc użytkowników sieci energetycznej stale się zmienia w czasie. Wynika to z faktu, że praca poszczególnych sekcji czy warsztatów przedsiębiorstw nie pokrywa się w czasie. Ponadto niektóre urządzenia mogą pracować przy częściowym obciążeniu lub nawet w stanie bezczynności.Zmiana mocy czynnej i biernej odbiorników elektrycznych prowadzi do zmian cos phi.

Przyczyny niskiego współczynnika mocy

Głównymi odbiorcami energii biernej są asynchroniczne silniki elektryczne, transformatory i piece indukcyjne, spawarki, lampy wyładowcze itp.

Silnik indukcyjny pracujący z obciążeniem zbliżonym do znamionowego ma najwyższą wartość cos phi. Wraz ze spadkiem obciążenia silnika zmniejsza się współczynnik mocy.

Wynika to z faktu, że moc czynna na zaciskach silnika elektrycznego zmienia się proporcjonalnie do jego obciążenia, podczas gdy moc bierna, na skutek niewielkiej zmiany prądu magnesującego, praktycznie pozostaje stała. Na biegu jałowym cos phi ma najmniejszą wartość, która w zależności od typu silnika elektrycznego, mocy i prędkości obrotowej mieści się w przedziale 0,1 — 0,3.

Transformatory mocy, takie jak silniki indukcyjne, mają obniżony współczynnik mocy obciążenia poniżej 75%.

Przeciążone silniki indukcyjne mają również niski cos phi ze względu na zwiększone magnetyczne strumienie rozproszenia.

Silniki o lepszych warunkach chłodzenia niż silniki zamknięte mogą przenosić większe obciążenie (moc czynna) i dlatego będą miały wyższy cos phi.

Silniki z wirnikiem klatkowym, ze względu na mniejsze wartości rezystancji upływu indukcyjnego, mają wyższy cos phi niż silniki z wirnikiem uzwojonym.

Wartość cos phi dla maszyn tego samego typu będzie rosła wraz ze wzrostem mocy znamionowej i prędkości wirnika, ponieważ zmniejsza to względną wielkość prądu magnesującego.

Wzrost napięcia po stronie wtórnej transformatorów mocy na skutek spadku obciążenia (np. podczas nocnych zmian i przerwy obiadowej) prowadzi do wzrostu napięcia w stosunku do napięcia znamionowego na zaciskach pracujących silników elektrycznych . To z kolei prowadzi do wzrostu prądu magnesującego i mocy biernej silników elektrycznych, co skutkuje niższym współczynnikiem mocy.

Obrót wirnika, który następuje w miarę zużywania się łożysk, tak że wirnik nie styka się ze stojanem, powoduje zwiększenie szczeliny powietrznej między stojanem a wirnikiem, co prowadzi do wzrostu prądu magnesującego i zmniejszenia cos fi.

Zmniejszenie liczby drutów w żłobku stojana podczas przewijania powoduje wzrost prądu magnesującego i zmniejszenie cos phi silnika indukcyjnego.

Stosowanie lamp wyładowczych (DRL i fluorescencyjnych) posiadających rezystancję indukcyjną (dławik) w obwodzie przy braku urządzeń kompensacyjnych również zmniejsza współczynnik mocy instalacji elektrycznych (zob. Jak rozmieszczone i działają stateczniki do lamp fluorescencyjnych).

Techniki poprawy współczynnika mocy

Konieczne jest zwiększenie współczynnika mocy instalacji elektrycznej przede wszystkim poprzez prawidłową i racjonalną pracę urządzeń elektrycznych, czyli w sposób naturalny. Moc silnika elektrycznego należy dobrać ściśle według mocy wymaganej dla mechanizmu napędowego, a już zainstalowane, ale słabo obciążone silniki elektryczne należy wymienić na silniki elektryczne o odpowiednio mniejszej mocy.

Należy jednak wziąć pod uwagę, że czasami taka wymiana może prowadzić do wzrostu strat energii czynnej w samym silniku elektrycznym oraz w sieci, jeżeli sprawność nowo zainstalowanego silnika elektrycznego okaże się mniejsza niż wcześniej zainstalowanego jeden. Dlatego wykonalność takiej wymiany musi zostać zweryfikowana za pomocą obliczeń.

Ponadto konieczne jest sprawdzenie rezerwowego silnika elektrycznego pod kątem warunków dopuszczalnego nagrzania i przeciążenia, a czasem czasu rozpędzania. Z reguły silniki elektryczne obciążone poniżej 40% podlegają wymianie. Gdy obciążenie przekracza 70% wymiana staje się nieopłacalna.

We wszystkich możliwych przypadkach silnik klatkowy powinien być preferowany zamiast wirnika fazowego. Należy zrezygnować z używania zamkniętych silników elektrycznych, jeżeli ze względu na warunki środowiskowe dozwolone jest stosowanie silników elektrycznych w konstrukcji otwartej lub chronionej.

Silniki elektryczne napędzające różne maszyny i mechanizmy nie pracują cały czas z pełnym obciążeniem. Na przykład podczas instalowania nowej części do obróbki na maszynie silnik elektryczny czasami pracuje na biegu jałowym z niskim cos phi. Dlatego zaleca się odłączenie silnika elektrycznego od sieci na czas bezczynności z czasem interakcji wynoszącym 10 sekund lub więcej (wymóg ten jest również obowiązkowy w celu oszczędzania energii czynnej).

Okres interakcji to czas poświęcony na cofnięcie narzędzia do jego pierwotnego położenia, usunięcie obrabianej części z maszyny, zamontowanie nowej części na maszynie i ustawienie narzędzia w pozycji roboczej.W maszynach i mechanizmach, w których okresy pracy przeplatają się z okresami interoperacyjności, zaleca się instalowanie automatycznych ograniczników biegu jałowego.

Zaleca się również wymianę lub czasowe odłączenie transformatorów obciążonych średnio mniej niż 30% ich mocy znamionowej.

Jakość naprawy asynchronicznego silnika elektrycznego znacząco wpływa na wzrost wartości cos phi. Dobrze naprawiony silnik powinien mieć tabliczkę znamionową. Należy uważnie monitorować wielkość szczeliny powietrznej między stojanem a wirnikiem, nie dopuszczać do odchyleń od normy, umieszczać liczbę aktywnych drutów w rowkach zgodnie z obliczeniami. Regenerowane silniki należy dokładnie przetestować, w tym sprawdzić prąd jałowy.

W niektórych przypadkach środki mające na celu poprawę naturalnego współczynnika mocy nie pozwalają na zwiększenie cos phi do 0,92 — 0,95 zgodnie z warunkami procesu technologicznego. W takich instalacjach elektrycznych stosuje się sztuczne metody kompensacji mocy biernej — zwiększenie współczynnika mocy przez zastosowanie specjalne urządzenia kompensacyjne.

Do takich urządzeń należą: kondensatory statyczne, kompensatory synchroniczne oraz przewzbudzone silniki synchroniczne. Jednak synchroniczne silniki elektryczne i kompensatory produkowane przy dużej mocy są rzadkością w fabrykach. Najczęściej stosowane w celu zwiększenia współczynnika mocy są kondensatory statyczne.

Przy odpowiednim doborze pojemności kondensatorów możliwe jest doprowadzenie kąta fazowego między napięciem a prądem do dowolnej wymaganej wartości.Redukcję prądu w sieci zasilającej uzyskuje się dzięki składowej reaktywnej, która jest kompensowana prądem pojemnościowym baterii kondensatorów.