Erhöhung des Leistungsfaktors in Sinusstromkreisen

Die meisten modernen Verbraucher elektrischer Energie haben eine induktive Last, deren Ströme hinter der Quellenspannung zurückbleiben. Also für Induktionsmotoren: Transformer, Schweißgeräte und anderer Blindstrom wird benötigt, um in elektrischen Maschinen ein rotierendes Magnetfeld und in Transformatoren einen magnetischen Wechselfluss zu erzeugen.

Die Wirkleistung solcher Verbraucher bei den angegebenen Strom- und Spannungswerten hängt vom cosφ ab:

P = UICosφ, I = P / UCosφ

Eine Verringerung des Leistungsfaktors führt zu einem Anstieg des Stroms.

Kosinus Phi Sie verringert sich besonders stark, wenn Motoren und Transformatoren im Leerlauf oder bei starker Belastung sind. Wenn das Netz Blindstrom führt, wird die Leistung des Generators, der Umspannwerke und der Netze nicht vollständig genutzt. Mit abnehmendem cosφ steigen sie deutlich an Energieverlust zum Erhitzen von Drähten und Spulen elektrischer Geräte.

Bleibt beispielsweise die Wirkleistung konstant, wird ihr bei cosφ= 1 ein Strom von 100 A zur Verfügung gestellt, dann erhöht sich bei sinkendem cosφ auf 0,8 und gleicher Leistung der Strom im Netz um das 1,25-fache (I = InNetz x cosφ , Azac = Aza / cosφ ).

Verluste an den Leitungen des Heizungsnetzes und Wicklungen eines Generators (Transformators) Pload = I2nets x Rnets sind proportional zum Quadrat des Stroms, d. h. sie erhöhen sich um das 1,252 = 1,56-fache.

Bei cosφ= 0,5 beträgt der Strom im Netz bei gleicher Wirkleistung 100 / 0,5 = 200 A und die Verluste im Netz erhöhen sich um das Vierfache (!). Es wächst NetzspannungsverlusteDies stört den normalen Betrieb anderer Benutzer.

Der Zähler des Benutzers meldet in allen Fällen die gleiche Menge an verbrauchter Wirkenergie pro Zeiteinheit, aber im zweiten Fall speist der Generator das Netz mit einem Strom ein, der doppelt so hoch ist wie im ersten Fall. Die Generatorlast (Thermobetrieb) wird nicht durch die Wirkleistung der Verbraucher bestimmt, sondern durch die Gesamtleistung in Kilovoltampere, also das Produkt aus Spannung durch Stromstärkefließt durch die Spulen.

Bezeichnet man den Widerstand der Leitungsdrähte mit Rl, so lässt sich der darin enthaltene Leistungsverlust wie folgt ermitteln:

Je größer also der Nutzer, desto geringer sind die Leistungsverluste in der Leitung und desto günstiger ist die Stromübertragung.

Der Leistungsfaktor zeigt an, wie die Nennleistung der Quelle genutzt wird. Um den Empfänger also mit 1000 kW bei φ= 0,5 zu versorgen, sollte die Generatorleistung S = P / cosφ = 1000 / 0,5 = 2000 kVA und bei cosφ = 1 C = 1000 kVA betragen.

Daher erhöht die Erhöhung des Leistungsfaktors die Leistungsausnutzung der Generatoren.

Zur Erhöhung des Leistungsfaktors (cosφ) werden Elektroinstallationen eingesetzt Blindleistungskompensation.

Eine Erhöhung des Leistungsfaktors (Verringerung des Winkels φ – Phasenverschiebung von Strom und Spannung) kann auf folgende Weise erreicht werden:

1) Austausch leicht belasteter Motoren durch Motoren mit geringerer Leistung,

2) unter Spannung

3) Abschaltung von Leerlaufmotoren und Transformatoren,

4) die Einbeziehung spezieller Kompensationsgeräte in das Netzwerk, die Generatoren des führenden (kapazitiven) Stroms sind.

Zu diesem Zweck werden in leistungsstarken regionalen Umspannwerken speziell Synchronkompensatoren – synchron übererregte Elektromotoren – installiert.

Synchronkompensatoren

Um den Wirkungsgrad von Kraftwerken zu steigern, werden die am häufigsten verwendeten Kondensatorbänke parallel zur induktiven Last geschaltet (Abb. 2 a).

Reis. 2 Einschalten von Kondensatoren zur Blindleistungskompensation: a – Schaltung, b, c – Zeigerdiagramme

Zur Kompensation des cosφ in elektrischen Anlagen bis zu mehreren hundert kVA werden sie eingesetzt Cosinus-Kondensatoren… Sie werden für Spannungen von 0,22 bis 10 kV hergestellt.

Die Kapazität des Kondensators, die erforderlich ist, um cosφ vom bestehenden Wert cosφ1 auf den erforderlichen cosφ2 zu erhöhen, kann aus dem Diagramm (Abb. 2 b, c) ermittelt werden.

Beim Erstellen eines Vektordiagramms wird der Quellspannungsvektor als Anfangsvektor verwendet. Wenn die Last induktiv ist, eilt der Stromvektor Az1 dem Winkel des Spannungsvektors φ1Aza nach, der in Richtung mit der Spannung übereinstimmt, die Blindkomponente des Stroms Azp eilt ihm um 90° nach (Abb. 2 b).

Nach dem Anschließen der Kondensatorbank an den Benutzer wird der Strom Az als geometrische Summe der Vektoren Az1 und Az° C bestimmt... In diesem Fall geht der kapazitive Stromvektor dem Spannungsvektor um 90 ° voraus (Abb. 2, c) . Dies zeigt das Vektordiagramm φ2 <φ1, d.h. Nach dem Einschalten des Kondensators steigt der Leistungsfaktor von cosφ1 auf cosφ2

Die Kapazität eines Kondensators lässt sich anhand eines Vektordiagramms der Ströme berechnen (Abb. 2 c): Ic = azp1 — Azr = Aza tgφ1 — Aza tgφ2 = ωCU

Vorausgesetzt, dass P = UI, schreiben wir die Kapazität des Kondensators C = (I / ωU) NS (tgφ1 – tgφ2) = (P / ωU2) NS (tgφ1 – tgφ2).

In der Praxis wird der Leistungsfaktor meist nicht auf 1,0, sondern auf 0,90 – 0,95 erhöht, da eine vollständige Kompensation den zusätzlichen Einbau von Kondensatoren erfordert, was oft wirtschaftlich nicht gerechtfertigt ist.