На ділянці кола з паралельним з'єднанням резистора, індуктивної котушки і конденсатора (рис.2.21) може виникнути резонанс струмів. Умовою виникнення такого режиму є рівність реактивних провідностей bL = bC.
Малюнок 2.21 - Ділянка кола з паралельним з'єднанням резистора, індуктивної котушки і конденсатора
При резонансі струмів повна провідність ланцюга стає чисто активної і рівної g. а загальний струм ланцюга Iрез = gU мінімальним. Фазовий зсув між напругою і струмом φ = arcCos (g / y). внесений ланцюгом, дорівнює нулю.
Режим ділянки кола, при якому зрушення фаз між напругою на його висновках і загальним струмом дорівнює нулю, називається резонансом струмів.
При резонансі діючі значення струмів в котушці і конденсаторі однакові: IL = (1 / ωрез L) U = IC = ωрез CU. а зрушення фаз між струмами дорівнює π. так як струм в індуктивності відстає від напруги на π / 2. а струм в конденсаторі випереджає напругу на такий же кут π / 2.
Якщо при резонансі струмів в однакове число раз n збільшити індуктивну і емкостную провідності, то струми IL і IC збільшаться теж в n раз, а загальний струм залишиться тим же: I = Ug. Таким чином, в принципі можна необмежено збільшувати струми в індуктивності і ємності при постійному струмі джерела.
На малюнку 2.22 показані резонансні криві паралельного контуру. В конденсаторі струм IC = ωCU зростає пропорційно кутовий частоті, в котушці індуктивності струм IL = U / (ωL) обернено пропорційно кутовий частоті, в резисторі ток IR = U / R від кутової частоти не залежить. Точка перетину кривих IC (ω) і IL (ω) відповідає резонансу струмів, при якому I = IR = Iрез.
Якщо провідність g резистора дорівнює нулю, то і повна провідність y дорівнює нулю. При цьому загальний струм ланцюга (струм джерела) також дорівнює нулю, що еквівалентно розмикання ланцюга.
Малюнок 2.22 - Резонансні криві паралельного контуру
Відзначимо, що резонанс струмів на відміну від резонансу напруг - явище безпечне для електроенергетичних установок. Резонансні режими знаходять широке застосування в радіотехнічних пристроях.
Причини низького Cosφ та шляхи його підвищення
Як вже говорилося вище, коефіцієнт потужності визначає, яка частина повної потужності, споживаної електроустановкою, перетворюється в ній в інші види енергії (механічну або теплову), тобто яку частину від повної потужності, споживаної установкою, становить активна потужність:
Коефіцієнт потужності установки, яка споживає електричну енергію, не залишається постійним: з плином часу змінюється навантаження двигунів, трансформаторів і інших приймачів, одні вимикаються, друга включаються і т.д. Тому миттєвим значенням Cosφ характеризувати установку не можна. Для цієї мети вводять поняття середньозваженого коефіцієнта потужності за певний проміжок часу. Він визначається величинами активної і реактивної енергії, підрахованими за даний проміжок часу:
Низький коефіцієнт потужності електроустановок призводить до небажаних наслідків. Так при зниженні Cosphi; для отримання заданої величини активної потужності P доводиться збільшувати повну потужність джерела енергії (S = P / Cosφ). Наприклад, при Cosφ = 1 для живлення навантаження Р = 100кВт. необхідне джерело електричної енергії з повною потужністю S = 100кВА. а при Cosφ = 0,5 для харчування тієї ж навантаження вже S = 200кВА.
Зростання повної потужності позначається по-перше на збільшенні початкових витрат по її створенню, і по-друге призводить до зростання абсолютних втрат електроенергії.
Зменшення коефіцієнта потужності при заданій величині активної потужності Р викликає збільшення споживаного струму:
а звідси зростають і втрати в мережі:
де Rл - активний опір одного проводу лінії.
При низьких значеннях Cosφ зростає повний струм. Зниження ж споживаного струму при підвищенні Cosφ дозволяє включити в мережу додаткове навантаження без збільшення потужності генераторів.
Крім того, величина коефіцієнта потужності, при якій здійснюється експлуатація генераторів і трансформаторів, робить істотний вплив на їх ККД.
Основними причинами низького Cosφ є:- недовикористання потужності механізмів, машин і технологічного обладнання і відповідно до встановленої потужності електродвигунів і трансформаторів внаслідок неповної їх завантаження або нерівномірного завантаження в часі;
- робота на холостому ходу електродвигунів і трансформаторів, викликана недосконалістю конструкції технологічного обладнання. Необхідно враховувати, що асинхронні двигуни, що працюють на холостому ходу мають низький коефіцієнт потужності;
- завищення встановленої потужності електродвигунів і трансформаторів, що призводить до їх неповної завантаженні.
- які не потребують установки компенсуючих пристроїв і доцільні в усіх випадках;
- пов'язані із застосуванням пристроїв, що компенсують;
- допускаються як виняток.
Умовно заходи першої групи називаються природними. а заходи другої і третьої груп - штучними.
До природним заходам в першу чергу слід віднести наступні:- раціоналізація технологічних процесів, що веде до поліпшення енергетичного режиму обладнання, тобто збільшення завантаження виробничого обладнання до паспортної величини, ліквідації холостий роботи асинхронних двигунів і трансформаторів, заміна електродвигунів завищеною потужності;
- впровадження синхронних двигунів замість асинхронних, якщо це можливо за умовами технології;
- відключення частини працюючих трансформаторів в періоди малої завантаження і заміна трансформаторів, завантажених в середньому на 30%. на менш потужні.
До штучні заходам слід віднести застосування конденсаторних батарей і синхронних компенсаторів, що виконують роль місцевих генераторів реактивної енергії.
Застосування конденсаторних батарей або синхронних компенсаторів для підвищення коефіцієнта потужності наочно демонструє векторна діаграма, представлена на малюнку 2.23.
Малюнок 2.23 - Векторна діаграма, що відображає застосування конденсаторних батарей або синхронних компенсаторів для підвищення коефіцієнта потужності
На малюнку 2.23, а показана схема, на якій паралельно приймачу, наприклад, групі асинхронних двигунів, може бути включена конденсаторна батарея. До включення конденсаторів ток I д відстає по фазі від напруги на кут φ1.
Після включення конденсаторної батареї реактивна (індуктивна) складова I1р струму двигунів частково компенсується ємнісним струмом IC (рис. 2.23, б), в зв'язку з чим струм в підвідних проводах зменшується до I. а кут зсуву фаз - до φ2. При цьому активна складова струму в проводах не змінюється, отже, по активній потужності режим роботи ланцюга залишається колишнім.
Синхронний компенсатор є синхронний електродвигун, що працює при збудження в режимі холостого ходу. У такому режимі синхронний двигун одночасно перетворюється в генератор реактивної енергії, яка віддається в мережу і забезпечує компенсацію загального зсуву фаз.
Перевага синхронного компенсатора перед конденсаторної батареєю полягає в можливості плавного регулювання споживаного їм реактивного струму.
До заходів, що допускаються як виняток, відноситься використання наявних синхронних двигунів і генераторів в якості синхронних компенсаторів.