Что означает cos на двигателе

101. Причины, влияющие на величину «косинуса фи» потребителя, и меры, принимаемые для увеличения «косинуса фи»

А. Причины низкого «косинуса фи». 1. Недогрузка электродвигателей переменного тока. При недогрузке электродвигателя потребляемая им активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке. В то же время реактивная мощность изменяется меньше. Поэтому чем меньше нагрузка двигателя, тем с меньшим коэффициентом мощности он работает.

Так, например, асинхронный двигатель в 400 квт при 1000 оборотах в минуту имеет косинус фи, равный при полной нагрузке 0,83. При 3/4 нагрузки тот же двигатель имеет cos=0,8. При 1/2 нагрузки cos=0,7 и при 1/4 нагрузки cos =0,5.

Двигатели, работающие в холостую, имеют «косинус фи», равный от 0,1 до 0,3 в зависимости от типа, мощности и скорости вращения.

2. Неправильный выбор типа электродвигателя. Двигатели быстроходные и большой мощности имеют более высокий «косинус фи», чем тихоходные и маломощные двигатели. Двигатели закрытого типа имеют cos ниже, чем двигатели открытого типа. Двигатели, неправильно выбранные по типу, Мощности и скорости, понижают cos.

3. Повышение напряжения в сети. В часы малых нагрузок, обеденных перерывов и т. п. напряжение сети на предприятии увеличивается на несколько вольт. Это ведет к увеличению намагничивающего тока индуктивных потребителей (реактивной составляющей их полного тока), что в свою очередь вызывает уменьшение cos предприятия.

4. Неправильный ремонт двигателя. При перемотке электродвигателей обмотчики вследствие неправильного подбора провода иногда не заполняют пазы машины тем количеством проводников, которое было в фабричной обмотке. При работе такого двигателя, вышедшего из ремонта, увеличивается магнитный поток рассеяния, что приводит к уменьшению cos двигателя.

При сильном износе подшипников ротор двигателя может задевать при вращении за статор. Вместо того чтобы сменить подшипники, обслуживающий персонал иногда идет по неправильному и вредному пути и подвергает ротор обточке.

Увеличение воздушного зазора между ротором и статором вызывает увеличение намагничивающего тока и уменьшение cos двигателя.

Б. Способы увеличения «косинуса фи». Вышеперечисленные последствия низкого cos с достаточной убедительностью говорят о том, что необходимо вести борьбу за высокий cos . К мерам увеличения соs относятся:

1. Правильный выбор типа, мощности и скорости вновь устанавливаемых двигателей.

2. Увеличение загрузки двигателей.

3. Недопущение работы двигателей вхолостую продолжительное время.

4. Правильный и высококачественный ремонт двигателей.

5. Применение статических (т. е. неподвижных, невращающнхся) конденсаторов.

Малый вес конденсаторов, отсутствие вращающихся частей, незначительные потери энергии в них, легкость обслуживания, безопасность и надежность в работе дают возможность широкого применения статических конденсаторов для повышения cos двигателей.

Подбирая величину емкости при параллельном соединении индуктивности и емкости, можно добиться уменьшения угла сдвига фаз между напряжением и общим током при неизменной активной и реактивной мощности, потребляемой ветвью с индуктивностью. Этот угол можно сделать равным нулю. Тогда ток, текущий на общем участке цепи, будет иметь наименьшую величину и совпадать по фазе с напряжением сети.

Это явление называется компенсацией сдвига фаз и широко используется на практике.

По экономическим соображениям невыгодно доводить угол до нуля, практически целесообразно иметь cos =0,9—0,95.

Рассмотрим расчет емкости конденсаторов, которые нужно включить параллельно индуктивной нагрузке, чтобы повысить cos до заданной величины.

На фиг. 174, а изображена схема включения индуктивной нагрузки в сеть переменного тока. Для увеличения коэффициента мощности параллельно потребителю включена батарея конденсаторов. Векторная диаграмма начинается с построения вектора напряжения U. Ток I₁ вследствие индуктивного характера нагрузки отстает по фазе от напряжения сети на угол ₁.

Необходимо уменьшить угол сдвига фаз между напряжением U и общим током до величины .

Отрезок OC, представляющий активную слагающую тока I₁ равен:

Ток на общем участке цепи I равен геометрической сумме то ка нагрузки I₁ и тока конденсатора I_C. Из треугольника оас и овс имеем:

Пример 20. Электрические двигатели шахты потребляют мощность 2000 кВт при напряжении 6 кВ и cos₁=0,6. Требуется найти емкость конденсаторов, которую нужно подключить на шины установки, чтобы увеличить cos до 0,9 при f=50 гц.

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

• Справочник электрика
  • Бытовые электроприборы
  • Библиотека электрика
  • Инструмент электрика
  • Квалификационные характеристики
  • Книги электрика
  • Полезные советы электрику
  • Электричество для чайников
• Справочник электромонтажника
  • КИП и А
  • Полезная информация
  • Полезные советы
  • Пусконаладочные работы
• Основы электротехники
  • Провода и кабели
  • Программа профессионального обучения
  • Ремонт в доме
  • Экономия электроэнергии
  • Учёт электроэнергии
  • Электрика на производстве
• Ремонт электрооборудования
  • Трансформаторы и электрические машины
  • Уроки электротехники
  • Электрические аппараты
  • Эксплуатация электрооборудования
• Электромонтажные работы
  • Электрические схемы
  • Электрические измерения
  • Электрическое освещение
  • Электробезопасность
  • Электроснабжение
  • Электротехнические материалы
  • Электротехнические устройства
  • Электротехнологические установки

Влияние cos ? на экономические показатели

Для выяснения воздействия коэффициента мощности на экономические характеристики электротехнических установок разглядим приемник энер­гии, работающий с неизменной активной мощностью при неизменном напряжении в сети.

Ток в приемнике, а как следует, и в проводах, соединяющих его с генератором электронной энергии, при этих критериях находится в зависимости от cos? :

P = UI cos?, I = P : U cos?,

Чем меньше cos ? приемника, тем больший ток должен быть в са­мом приемнике, в генераторе, в соединительных проводах, трансфор­маторе и других элементах сети электроснабжения.

Мощность теплопотерь, согласно закону Ленца — Джоуля, пропорциональна квадрату тока и сопротивлению проводов:

?P = I 2 r

Разумеется, чем больше ток приемника, тем больше энергопотеря в электронной цепи. Цена потерянной энергии заходит в эксплуа­тационные расходы. Повышение cos? приемников ведет к уменьшению тока, сокращению утрат энергии и сокращению эксплуатационных расходов.

Если электротехническая установка спроектирована с относительно низким cos?, то оборудование (коммутационная аппаратура, приборы для контроля и др.) и провода должны быть выбраны на огромные токи, чем при высочайшем cos?. Это означает, что оборудование должно быть установлено относительно огромных размеров, а провода — большего сечения. Последнее повлечет за собой повышение объема построек, утяжеление фундамента и опор и т. п.

Повышение коэффициента мощности приемников энергии приводит к сокращению серьезных издержек.

Генераторы электронной энергии и трансформаторы характеризуются номинальной мощностью, которая определяется произведе­нием номинальных значений напряжения и тока:

Более полное внедрение генераторов и трансформаторов соответствует режиму работы с номинальным током при номинальном напряжении (особенные случаи, когда допускается некая перегрузка оборудования при эксплуатации, тут не учитываются).

Величина активной мощности генератора определяется не только лишь напряжением и током, да и cos?, величина которого находится в зависимости от прием­ника энергии:

Р = UI cos?

Если приемник имеет cos ? = 1, генератор может развивать актив­ную мощность, равную его номинальной мощности, т. е. основная функция генератора — преобразование энергии — может быть выпол­нена более много, а первичный движок — турбина, также рас­считанный на номинальную мощность, будет работать с полной на­грузкой.

Косинус фи (cos φ) — Коэффициент мощности

На двигателях и некоторых других устройствах можно видеть непонятный параметр косинус фи (cos φ).

Косинус фи (cos φ) часто называют «Коэффициент мощности». Это почти одно и то же при правильной синусоидальной форме тока.

Условные обозначения

P — активная мощность S — полная мощность Q — реактивная мощность, U — напряжение I — ток.

Косинус фи (cos φ) — это косинус угла между фазой напряжения и фазой тока.
При активной нагрузке фаза напряжения совпадает с фазой тока, φ (между фазами) равен 0 (нулю). А как мы знаем cos0=1. То есть при активной нагрузке коэффициент мощности равен 1 или 100%.

Рисунок 3 — Активная нагрузка

При емкостной или индуктивной нагрузке фаза тока не совпадает с фазой напряжения. Получается «сдвиг фаз».При индуктивной или активно-индуктивной нагрузке (с катушками: двигатели, дросселя, трансформаторы) фаза тока отстает от фазы напряжения.При емкостной нагрузке (конденсатор) фаза тока опережает фазу напряжения. Косинусфи (cos φ)это тоже самое что коэффициент мощности, потому что S=U*I. На графики видно, что φ = 90 , (cosφ)=0(нулю).

Рисунок 4 — Индуктивная нагрузка

Рисунок 5 — Емкостная нагрузка

Попытаемся вычислить мощность для простоты возьмем максимальное значение напряжения равное 1(100%) в этот момент ток равен 0(нулю) соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот когда ток максимальный напряжение равно нулю. Получается что полезная, активная мощность равна 0(нулю).

Коэффициент мощности это соотношение полезной активной мощности к полной мощности, то есть cosφ=P/S.

Треугольник мощностей

Q =U x I x sin φ

Пример на практике:

Если подключить асинхронный двигатель в сеть без нагрузки, в холостую. Напряжение вроде как есть, ток, если замерить тоже есть, при этом ни какой полезной работы не совершается. Соответственно активная мощность минимальна. Если на двигателе увеличить нагрузку то сдвиг фаз начнет умень

шаться и соответственно косинус фи (cos φ) будет увеличиваться, а с ним и активная мощность.Счетчики активной мощности фиксируют соответственно только активную мощность. И поэтому не приходится переплачивать за полную мощность.

Однако у реактивной мощности есть большой минус она создает бесполезную нагрузку на электрическую сеть из-за этого образуются потери. Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в электроизоляционном материале под воздействием на него электрического поля. Способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле обычно характеризуют углом диэлектрических потерь, а также тангенсом угла диэлектрических потерь. При испытании диэлектрик рассматривается как диэлектрик конденсатора, у которого измеряется емкость и угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Этот угол называется углом диэлектрических потерь.

§ Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

Для измерения емкости и угла диэлектрических потерь (или tgδ) эквивалентную схему конденсатора представляют как идеальный конденсатор с последовательно включенным активным сопротивлением (последовательная схема) или как идеальный конденсатор с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема).

Рисунок 5 — Векторная диаграмма тока и напряжения в диэлектрике с потерями

Для последовательной схемы активная мощность:

Р=(U 2 ωtgδ)/(1+tg 2 δ), tgδ = ωСR

Для параллельной схемы:

Р=U2ωtgδ, tgδ = 1/(ωСR)

где С — емкость идеального конденсатора; R — активное сопротивление.

Значение угла диэлектрических потерь обычно не превышает сотых или десятых долей единицы (поэтому угол диэлектрических потерь принято выражать в процентах), тогда 1+tg 2 δ≈ 1, а потери для последовательной и параллельной схем замещения Р=U 2 ωtgδ, tgδ = 1/(ωСR)

Значение потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте, что необходимо учитывать при выборе электроизоляционных материалов для аппаратуры высокого напряжения и высокочастотной. С увеличением приложенного к диэлектрику напряжения до некоторого значения Uо начинается ионизация имеющихся в диэлектрике газовых и жидкостных включений, при этом δ начинает резко возрастать за счет дополнительных потерь, вызванных ионизацией. При U1 газ ионизирован и уменьшается.

Рисунок 6 — Ионизационная кривая tgδ = f (U)

Значение тангенса угла диэлектрических потерь измеряют при напряжениях, меньшихUо(обычно 3 — 10 кВ). Напряжение выбирается так, чтобы облегчить испытательное устройство при сохранении достаточной чувствительности прибора.

Значение тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) нормируется для температуры 20 °С, поэтому измерение следует производить при температурах, близких к нормированной (10 — 20 о С). В этом диапазоне температур изменение диэлектрических потерь невелико, и для некоторых типов изоляции измеренное значение может без пересчета сравниваться с нормированным для 20 °С.

Для устранения влияния токов утечки и внешних электростатических полей на результаты измерения на испытуемом объекте и вокруг измерительной схемы монтируют защитные приспособления в виде охранных колец и экранов. Наличие заземленных экранов вызывает появление паразитных емкостей; для компенсации их влияния обычно применяют метод защитного — напряжения, регулируемого по значению и фазе.

§ Проблемы энергосбережения в системах промышленного электропривода нефтехимической промышленности (НХП).

Крупным резервом экономии энергоресурсов в нефтехимической промышленности является утилизация вторичных энергетических ресурсов, в том числе внедрение котлов-утилизаторов для производства пара и горячей воды с целью утилизации тепла высокопотенциальных газовых выбросов.

Среди промышленных производств выпуск минеральных удобрений является одним из более энергоемких. Энергетические затраты в себестоимости отдельных видов продукции этой отрасли составляют примерно третью часть. Повышение энергетической эффективности связано с необходимостью разработки принципиально новых видов оборудования для производства минеральных удобрений, основанных на применении современных физических, физико-химических и физико-механических воздействий (акустических, вибрационных, электромагнитных) на технологические процессы, в том числе тепломассообменных аппаратов, фильтров перемешивающих устройств, грануляторов и др.

Энергосберегающие технологии в промышленности

В промышленности более 2/3 потенциала энергосбережения находится в сфере потребления наиболее энергоемкими отраслями- химической и нефтехимической, топливной, строительных материалов, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно- бумажной, пищевой и легкой промышленностью.

Значительные резервы экономии ТЭР в этих отраслях обусловлены несовершенством технологических процессов и оборудования, схем энергоснабжения, недостаточным внедрением новых энергосберегающих и безотходных технологий, уровнем утилизации вторичных энергоресурсов, малой единичной мощностью технологических линий и агрегатов, применением неэкономичной осветительной аппаратуры, нерегулируемого электропривода, неэффективной загрузкой энергооборудования, низкой оснащённостью приборами учета, контроля и регулирования технологических и энергетических процессов, недостатками, заложенными при проектировании и строительстве предприятий и отдельных производств, низким уровнем эксплуатации оборудования, зданий и сооружений.

Электроприводы потребляют до 65% электроэнергии и осуществляют практически все технологические процессы, связанные с движением. Считается, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1 т топлива в условном исчислении, вдвое дешевле, чем ее добыть.

Если в нерегулируемом электроприводе доминировал и продолжает доминировать асинхронный двигатель, то в регулируемом приводе до недавнего времени применялся почти исключительно двигатель постоянного тока. В последние годы, в связи с появлением надежных и приемлемых по цене преобразователей частоты, ситуация кардинально изменилась. В Европе к 2000 году лишь 15% регулируемых электроприводов укомплектовано двигателями постоянного тока. Поэтому актуально рассматривать проблему энергосбережения главным образом применительно к асинхронному электроприводу, в

том числе частотно-регулируемому. В мировой практике сложилось несколько основных направлений решения указанной проблемы.

Энергоэффективные двигатели (ЭД) — это асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять на 1-2% (мощные двигатели) или на 4-5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя. Этот подход может приносить пользу, если нагрузка меняется мало, регулирование скорости не требуется и двигатель правильно выбран.

Правильный выбор двигателя по мощности для конкретного технологического процесса. Известно, что средняя загрузка электродвигателя (отношение мощности, потребляемой рабочим органом машины к номинальной мощности электродвигателя) в отечественной промышленности составляет 0,3-0,4 (в европейской практике эта величина составляет 0,6) . Это значит, что двигатель работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная «на всякий случай» мощность двигателя часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемой электроприводом технологической сфере, например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь, снижению надежности и т.п. Применение фильтрокомпенсирующих устройств в цепи питания электропривода с целью повышения коэффициента мощности и фильтрации высших гармоник тока. В нерегулируемом электроприводе с асинхронным двигателем, работающем часть цикла вхолостую, — снижение напряжения при уменьшении нагрузки.

Вышеуказанные направления касаются энергосбережения собственно в приводе и преследуют цель сократить потери на преобразование электрической энергии в механическую и повысить энергетические показатели электропривода. Автоматизированный электропривод дает более широкие возможности по энергосбережению вплоть до создания новых энергосберегающих технологий.

Коэффициент мощности определение и расчет

Как мы уже знаем из предыдущих лекций по электротехнике электрическая цепь может иметь чисто активную, реактивную и смешанную нагрузку. Угол сдвига между напряжением и током – это и есть угол φ. А косинус фи принято называть коэффициентом мощности.

При чисто активной нагрузке, например при подсоединенной лампы накаливания, косинус фи (cosφ) будет равен единице, так как угол φ равен нулю. При емкостном характере в нагрузке, протекающий ток будет опережать напряжение, а при индуктивной наоборот. Если в электрическую цепь поставить идеальную индуктивность, то угол между протекающим током и напряжением составит 90 градусов.

В рассмотренном выше примере понятие коэффициента мощности возникает из-за индуктивной нагрузки. На практике чисто индуктивная нагрузка невозможна в принципе, должно быть хоть какое-то небольшое активное сопротивление, то есть в реальных условиях нужно рассматривать смешанную нагрузку.

Коэффициент мощности в виде формулы можно записать, как отношение активной мощности (P) к полной (S):

Если косинус фи равен единице, то это идеальный показатель при чисто активной нагрузке, cosφ=0,9 считается очень хорошим значением, а на предприятиях пытаются достичь cosφ=0,8.

Повышая коэффициент мощности пытаются добиться следующих основных целей:

Так, например, от одного и того же трансформатора можно получить больше активной мощности потребителей, при большем значении величины косинуса фи. Так, от трансформатора с номинальной по паспорту мощностью S_н=1000 кВа при соsφ = 0,7 можно достичь активной мощности Р₁ = S_нcosφ = 1000•0,7=700 кВт, а при cosφ = 0,95 активная мощность будет равна Р₂ = S_нφ= 1000•0,95 = 950 кВт.

Причем в обоих примерах трансформатор будет нагружен полностью до 1000 кВа. Причиной малого коэффициента мощности на производствах являются недогруженные трансформаторы и асинхронные электродвигатели. Допустим, асинхронный двигатель при ХХ имеет cosφ_хх равный 0,2, тогда как при загрузке до своей номинальной мощности его соsφ_н = 0,85.

Для наглядности рассмотрим приближенный рисунок треугольника мощности для асинхронного двигателя. При XX асинхронный двигатель потребляет реактивную мощность, равную 30% номинальной мощности, тогда как потребляемая активная мощность составляет около 15%. Коэффициент мощности в данном случае достаточно мал. С ростом нагрузки активная мощность также растет, а реактивная меняется совсем немного и поэтому cosφ возрастает.

Основным мероприятием, повышающим cosφ, является работа совершаемая на полную производственную мощность. В данном случае асинхронные ЭД будут работать с cosφ, близкими к номинальным величинам.

Мероприятия по повышению cosφ можно условно поделить на два основных типа: