Коэффициент нагрузки трансформатора: особенности расчета

Что такое Косинус фи (cos φ) — «Коэффициент мощности»

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 (ноль). А, как известно, cos0=1. То есть при резистивной нагрузке коэффициент мощности равен 1 или 100%.

Активная нагрузка

При емкостной или индуктивной нагрузке фаза тока не совпадает с фазой напряжения. Получается «фазовый сдвиг».

При индуктивной или активно-индуктивной нагрузке (с катушками: двигатели, дроссели, трансформаторы) фаза тока следует за фазой напряжения.

При емкостной нагрузке (конденсатор) фаза тока опережает фазу напряжения.

Почему же тогда косинус фи (cos φ) совпадает с коэффициентом мощности? Да, потому что S=U*I.

Посмотрите на диаграммы ниже. Здесь φ равно 90 косинус фи (cosφ)=0(ноль).

Индуктивная нагрузка

Попробуем рассчитать мощность. Для простоты примем максимальное значение напряжения равным 1 (100%), в этот момент ток равен 0 (ноль). Следовательно, их произведение, то есть сила, равно 0 (нулю). И наоборот, когда ток максимален, напряжение равно нулю.

Получается, что полезный активный эффект равен 0 (ноль).

Коэффициент мощности представляет собой отношение между полезной активной мощностью и полной мощностью, т.е cosφ=P/S.

Треугольник мощностей

Посмотрите на треугольник власти. Вспомним тригонометрию (это что-то из математики), вот она нам пригодится.

P=U x I x cos φ

Q = U х I х sin φ

На практике.

Если подключить асинхронный двигатель к сети без нагрузки, на холостом ходу. Напряжение вроде есть, ток, если мерить, тоже есть. В этом случае никакой полезной работы не совершается. Следовательно, активный эффект минимален.

Если увеличить нагрузку на двигатель, фазовый сдвиг начнет уменьшаться, а следовательно, будет увеличиваться косинус фи (cos φ), а вместе с ним и активная мощность.

К счастью, счетчики активной мощности регистрируют только активную мощность, что логично. И нам не нужно платить слишком много за полную мощность.

Однако у реактивной мощности есть большой минус: она создает неполезную нагрузку на электрическую сеть, вызывая потери.

Диэлектрические потери — это энергия, рассеиваемая в электроизоляционном материале под действием на него электрического поля. Способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле обычно характеризуется углом диэлектрических потерь, а также тангенсом угла диэлектрических потерь.

При испытаниях диэлектрик рассматривают как диэлектрик конденсатора, в котором измеряют емкость и угол δ, которые в сумме составляют угол фазового сдвига 90° между током и напряжением в емкостной цепи. Этот угол называется углом диэлектрических потерь.

Низкий коэффициент мощности и его последствия

Рассмотренное запаздывание тока по отношению к напряжению не является хорошим явлением. Как это может повлиять на ваши лампы или проводку?

• во-первых, это повышенный расход электроэнергии

Часть энергии будет просто «болтаться» в катушке, не давая при этом никакой пользы. Правда, не пугайтесь, ваш бытовой счетчик не считает реактивную энергию, и вы не будете за нее платить.

Например, если подключить инструмент или лампу общей мощностью 100Ва, блок питания будет показывать cos ϕ=0,5. Тогда счетчик вытянет вам только половину этого значения, то есть 50 Вт.

• во-вторых, увеличится величина тока в проводах
• в-третьих, для силовых установок и трансформаторов это полная перегрузка

Кажется, выкинь катушку и вся проблема уйдет. Однако этого делать нельзя.

В большинстве светильников лампы работают не по отдельности, а взаимосвязаны с источниками питания. А в тех же источниках только ряд катушек.

Катушки просто необходимы как функциональная часть всей схемы, и избавиться от них не получится. Например, в тех же дросселях ДХО, ДНАТ, люминесцентных ламп и т.д.

Ноль означает, что полезная работа не совершается. Один — вся энергия уходит на выполнение полезной работы.

Чем выше коэффициент мощности, тем меньше потери мощности. Вот таблица косинусов фи для разных потребителей:

Как измерить коэффициент мощности

Если вы не знаете точный коэффициент мощности вашего устройства, или его нет на бирке, можно ли измерить косинус фи в домашних условиях, не прибегая к различным формулам и расчетам? Безопасный.

Для этого достаточно купить широко распространенный инструмент – цифровой ваттметр в розетке.

Подключив через него некоторое оборудование, можно легко узнать реальный cos ϕ без замеров и сложных расчетов.

Часто фактические данные могут быть даже более точными, чем то, что написано на шильдике, рассчитанном для идеальных условий.

Спасибо за внимание и не пропустите следующие статьи.

Свяжитесь со специалистами компании xiot.ru «Разумная автоматизация» и мы разработаем для вас детальный проект любой сложности.

Вы можете купить оборудование в нашем магазине xiot-shop.ru.

Еще больше полезных советов, обзоров, интересных статей, оборудования для умного дома и новостей о нем вы можете найти на новостной странице нашего сайта, YouTube и Instagram.​

Расчет коэффициента по времени

Номинальная нагрузка определяется производителем. На практике она неоднородна. В течение дня бывает как недо-, так и перегруженность. Чтобы не ошибиться с выбором, необходимы планы эксплуатации оборудования на разные периоды (дни, месяцы, годы). Важно распределить нагрузку так, чтобы износ изоляции не превышал номинального значения. В противном случае срок службы оборудования сократится.

Летом средняя нагрузка должна быть ниже номинальной, зимой наоборот. Если несколько трансформаторов работают параллельно, рассчитывается суммарный показатель. Независимо от количества трансформаторного оборудования коэффициент должен быть оптимальным.

В настоящее время проблема малой нагрузки актуальна на двухтрансформаторных подстанциях. Вы можете увеличить показатель, если будете использовать один преобразователь. Но в этом случае в случае выхода из строя или ремонта потребители останутся без электричества.

При проектировании и реконструкции подстанций допускаются ситуации, когда трансформатор работает с перегрузкой. При расчете оборудования учитывают требуемую мощность подстанции, время перегрузки и недогрузки. В любой ситуации коэффициент перегрузки не может превышать 1,4.

Мощность трансформаторов должна быть такой, чтобы они были загружены на 75-85% (в среднем). Расчеты ведутся на основании суточных планов нагрузки, которые показывают продолжительность недо- и перегрузок. При этом перегрузка не должна превышать 6 часов в течение 5 дней.

Выгода электрооборудования с высоким коэффициентом мощности

Это связано с наличием следующих факторов:

• Поставщики электроэнергии в ряде случаев контролируют коэффициент мощности оборудования, используемого потребителями. Они могут дать дополнительный балл, если он ниже 0,95. В случае, когда коэффициент меньше 0,85, подача электроэнергии может быть ограничена.
• Низкий коэффициент приводит к повышенному расходу энергии при относительно небольшом количестве полезной работы. Таким образом, потребителю приходится платить слишком много за определенный объем полезной работы.
• В ЛЭП наличие высоких значений свидетельствует о незначительных потерях при передаче энергии.
• Низкий коэффициент в системе электроснабжения может привести к снижению напряжения в сети. Это часто вызывает перегрев используемых потребителем устройств.

При рассмотрении работы электрических устройств необходимо учитывать, что одни из них вырабатывают реактивную мощность, а другие являются потребителями. Следовательно, использование первых приводит к увеличению реактивной мощности, а использование вторых – к уменьшению.

Реактивная мощность образуется при работе асинхронного электродвигателя, трансформаторов, ветрогенераторов, систем освещения на газоразрядных лампах. Наличие реактивной нагрузки снижает эффективность оборудования. Конденсаторы, синхронные двигатели и генераторы считаются потребителями.

Для уменьшения реактивной мощности можно использовать следующие методы:

• В цепи установлены конденсаторы. При использовании вместе с индуктивностью они образуют колебательный контур. В нем мощность с индуктивности будет потребляться емкостью.
• Следует избегать асинхронных двигателей на холостом ходу или с малой мощностью.
• Необходимо исключить возможность работы оборудования с напряжением, превышающим номинальное.
• Рекомендуется по мере замены двигателей переключаться на двигатели с более высоким КПД.

Оптимальная нагрузка номинальная. Если используется нагрузка меньше или больше номинальной нагрузки, это значительно снижает эффективность оборудования.

Виды мощности

В цепи переменного тока возникают три силы: активная, реактивная и полная. Активная мощность называется полезной или эффективной мощностью. Это потому, что он тратится на выполнение полезной работы. При этом электрическая энергия обычно преобразуется в другие формы.

Реактивная мощность при работе электрического устройства не теряется, а только переходит из одной формы в другую. Эта мощность нужна приборам, принцип действия которых основан на использовании электромагнитного поля.

Примером таких устройств является колебательный контур, в состав которого входят индуктивность и емкость при условии, что активное сопротивление частей пренебрежимо мало. Другое дело трансформатор. В нем ток и напряжение передаются через сердечник с помощью колебаний электромагнитного поля.

Полный эффект может быть достигнут за счет векторного добавления активного и реактивного компонентов.

Формулы

Формула для коэффициента загрузки трансформатора:

β= t1/t2, где:

t1 – фактическое время работы под нагрузкой;

t2 – номинальное время работы под нагрузкой.

Эта формула используется только в отношении заранее определенного периода времени (день, месяц, год).

Зависимость КПД от коэффициента нагрузки

При работе всего оборудования важна экономичность. Для трансформаторного оборудования на подстанции или на производстве это отношение между напряжением, поступающим из сети, и напряжением, отдаваемым потребителям:

• Эффективность = P2 / P1

По сути, это КПД преобразования напряжения.

На практике используется более точная формула:

• КПД = 1- (∑P — (P2 + ∑P)), где:

∑P – сумма потерь в обмотках и железе.

Потери определяются на основе короткого замыкания (Pk) и испытания на холостом ходу (P0).

КПД достигает максимального значения, если потери в стали и обмотках равны.

Поскольку отношение потерь холостого хода к выходному напряжению (P0/P1) составляет 0,25-0,4, максимальное значение КПД достигается при коэффициенте нагрузки 0,5-0,7.

Как определить коэффициент нагрузки трансформатора на практике? Есть каталоги и стандарты с таблицами Pk и P0.

Для расчета оптимального значения используется формула:

• βопт = √P0/Pc.

Это примерно 0,45-0,5.

При уменьшении или превышении показателя эффективность снижается, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов.

Если токи малы, то полезная работа равна потерям. При превышении оптимальной нагрузки провода обмотки нагреваются, а сердечник насыщается, инвертор нагревается. Во время работы часто можно отрегулировать уровень нагрузки таким образом, чтобы было достигнуто оптимальное значение КПД.

Расчет на основе мощности

При выборе трансформаторов для подстанций, обслуживающих жилые дома, обязательно собирается и анализируется информация о требуемой потребителями мощности. Второй показатель – это распределение этих мощностей во времени. Расход может меняться в зависимости от времени суток и сезона. Типовые схемы имеются в справочниках.

Компании учитывают технологические характеристики оборудования, время включения и отключения, периоды перегрузок и недогрузок, возможность расширения производства и подключения большего количества потребителей.

Необходимо определить коэффициент нагрузки по формуле:

• В = Сп/С, где:

Сп — расчетная нагрузка;

S — номинальная нагрузка.

Если на дневном графике есть большие провалы и пики, значение остается прежним.

Существуют рекомендуемые значения коэффициента:

• 0,65-0,7 — для потребителей первой категории;
• 0,7-0,8 — для потребителей второй категории;
• 0,9-0,95 — для потребителей третьей категории.

При таких значениях один трансформатор может взять на себя нагрузку другого, когда тот выйдет из строя.

К первой категории относятся потребители, которые без питания могут нанести ущерб, нарушить сложный техпроцесс и вывести из строя дорогостоящее оборудование. Чаще всего имеют собственные источники питания (батареи, аккумуляторы, шины напряжения, собственные электростанции).

Вторая категория – это потребители, для которых без электричества возможны браки, простои, нарушение режима дня большого количества лиц. Третья категория – все остальные.

Для масляных преобразователей

Для масляных преобразователей допускается перегрузка:

• 30% — 2 часа;
• 45% — 80 минут;
• 60% — 45 минут;
• 75% — 20 минут;
• 100% — 10 минут.

Для автотрансформатора эти измерения относятся к наиболее нагруженной обмотке.

Для сухих преобразователей

• 20% — почасовая;
• 30% — 45 минут;
• 40% — 32 минуты;
• 50% — 18 минут;
• 60% — 5 минут.

Масляные преобразователи легче переносят перегрузку.

При установке трансформаторов их проверяют на возврат в аварийный режим:

• β = Сп/С.

Показатель может достигать 1,7-1,8.

В режиме после аварии

• 1,4* S≥ Сп.

Можно только уменьшить показатель до значения, позволяющего покрыть нагрузку в случае выхода из строя одного из инверторов. Завышение влечет за собой необходимость установки дополнительного оборудования. Если на подстанции или предприятии два трансформатора, выбирается значение β=0,7.

При наличии суточных графиков работы трансформаторов на подстанции или предприятии их выбирают по ГОСТ 1420985. Как определяют коэффициент загрузки трансформатора, если графиков нет?

Руководствуются указаниями института Росэнергосетьпроект и учитывают рекомендованные значения. Желательно иметь мобильный или складской резерв преобразователей на предприятии.

Почему следует повышать коэффициент мощности?

Существует несколько причин увеличения коэффициента мощности. Вот некоторые из преимуществ, которые можно получить, улучшив коэффициент мощности.

1. Уменьшить оплату поставщику электроэнергии за счет следующих факторов:

а) Уменьшите количество максимальной заряжаемой мощности.

Помните, что низкий коэффициент мощности вызван индуктивными нагрузками, которым требуется реактивная мощность. Увеличение реактивной мощности приводит к увеличению полной потребляемой мощности от поставщика электроэнергии.

Таким образом, низкий коэффициент мощности завода вынуждает поставщика увеличивать производственные мощности и мощность линий, чтобы справиться с дополнительным спросом.

По мере увеличения коэффициента мощности реактивная мощность потребляется меньше. Это приводит к уменьшению активного эффекта, т.е уменьшению оплаты поставщику.

b) Устранение штрафа за коэффициент мощности.

Поставщики электроэнергии обычно выставляют дополнительные счета потребителям, если их коэффициент мощности ниже 0,95 (если коэффициент мощности потребителя падает ниже 0,85, некоторые поставщики не гарантируют электроснабжение). Таким образом, за счет увеличения коэффициента мощности можно избежать более высоких затрат на электроэнергию.

2. Увеличить мощность системы электроснабжения и снизить потери мощности

За счет добавления в систему конденсаторов (которые являются источниками реактивной мощности) коэффициент мощности увеличивается, а реальная мощность системы повышается.

Например, трансформатор мощностью 1000 кВА с коэффициентом мощности 80 % обеспечивает мощность 800 кВт (600 квар):

1000 кВА =

Следовательно, реактивная мощность составляет 600 кВАр.

Увеличивая коэффициент мощности до 90%, можно получить более высокую активную мощность при той же полной мощности:

1000 кВА =

Следовательно, реактивная мощность составляет 436 кВАр.

Активная мощность станции увеличена до 900 кВт, а потребляемая от поставщика реактивная мощность составляет всего 436 кВАр.

Нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в системе распределения электроэнергии. С увеличением коэффициента мощности эти потери уменьшаются. В связи с продолжающимся ростом затрат на энергию очень важно повысить энергоэффективность бизнеса. При снижении потерь в системе появляется возможность подключения к ней дополнительной нагрузки.

3. Повышение уровня напряжения в системе питания, снижение нагрева и более эффективная работа электродвигателей

Как уже упоминалось, нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в системе распределения электроэнергии. Это может снизить уровень напряжения. Чрезмерные перепады напряжения могут вызвать перегрев и преждевременный выход из строя двигателей и других индуктивных устройств.

Следовательно, за счет увеличения коэффициента мощности падение напряжения на питающих кабелях и связанные с этим проблемы сводятся к минимуму. Двигатели будут меньше греться и работать эффективнее, а также немного увеличатся мощность и пусковой момент.

Читайте также: Коллективная ТВ-антенна: как подключиться, кто обслуживает, почему плохо показывают каналы

Как можно скорректировать (улучшить) коэффициент мощности?

Как упоминалось выше, источники реактивной мощности (индуктивные нагрузки) снижают коэффициент мощности. К таким нагрузкам относятся:

• трансформеры
• асинхронные электродвигатели
• асинхронные генераторы (ветрогенераторы)
• системы освещения для ламп высокой интенсивности.

Следовательно, потребители реактивной мощности увеличивают коэффициент мощности. Это включает:

• конденсаторы
• синхронные генераторы (электроснабжения и аварийные)
• синхронные двигатели.

Поэтому неудивительно, что одним из способов повышения коэффициента мощности является установка в системе конденсаторов. Этот и другие способы увеличения коэффициента мощности обсуждаются ниже.

1. Установка конденсаторов (генераторов реактивной мощности).

При установке конденсаторов количество реактивной мощности (пены в нашем примере) уменьшается, а коэффициент мощности увеличивается. На рис. 5 показан принцип работы этого метода.

Реактивная мощность (кВАр) индуктивных нагрузок всегда смещена на 90º по отношению к активной мощности (кВт).

Индуктивность и емкость действуют со смещением на 180º по отношению друг к другу. Конденсаторы накапливают реактивную энергию и затем отдают ее с противоположным знаком реактивной энергии индуктивности. Наличие в цепи конденсатора и индуктивности приводит к постоянному переменному потоку энергии между ними.

Следовательно, если цепь уравновешена, вся энергия, излучаемая катушкой индуктивности, поглощается конденсатором. Ниже приведен пример того, как конденсатор снижает влияние индуктивной нагрузки.

2. Свести к минимуму работу двигателей на холостом ходу или с малой нагрузкой.

Мы уже говорили, что причиной низкого коэффициента мощности является наличие асинхронных двигателей. Но если быть более точным, асинхронные двигатели с малой нагрузкой имеют низкий коэффициент мощности.

3. Предотвращение работы оборудования при напряжении, превышающем номинальное.

4. Замена штатных двигателей по мере их выхода из строя на двигатели повышенного КПД.

Даже с высокоэффективными двигателями нагрузка оказывает сильное влияние на коэффициент мощности. Поэтому для реализации высокого коэффициента мощности, заложенного в его конструкции, двигатель должен работать с нагрузкой, близкой к номинальной.

Когда окупаются инвестиции в коррекцию коэффициента мощности?

Установив конденсаторы на заводе, можно улучшить коэффициент мощности. Но установка конденсаторов стоит денег. Возникает вопрос: когда снижение счетов за электроэнергию окупит стоимость конденсаторов?

Вы можете рассчитать сумму погашения. В качестве примера рассмотрим часть энергосистемы компании, показанную на рис. 6. Коэффициент мощности 0,65.

Системные параметры:

• нагрузка — 163 кВт;
• рабочее время — 730 часов в месяц;
• 480В, 3 фазы;
• потери в системе — 5%;
• коэффициент мощности — 65%;

прейскурант электроэнергии:

• тариф на электроэнергию — $4,08/кВтч;
• зарядка мощности — $2,16/кВт;
• штраф за реактивную мощность — $0,15/кв.

Мы можем рассчитать общий ежемесячный счет за электроэнергию следующим образом.

Сначала рассчитаем плату за потребленную энергию:

163 кВт x 730 ч/месяц x 4,08 долл. США/кВтч = 4854,79 долл. США/месяц

Далее определяем текущий заряд:

163 кВт x 2,16 долл. США/кВт = 352,08 долл. США/мес

И, наконец, определяем штраф за реактивный эффект:

190 кв x 730 ч/мес x 0,15 долл. США/кварт = 208 долл. США/мес

Теперь предположим, что в системе установлена ​​батарея конденсаторов (рис. 7). Конденсатор на 190 квар компенсирует асинхронный двигатель на 190 квар, и коэффициент мощности становится равным 1,0.

Параметры конденсаторной системы:

• скорректированный CM = 1,0

Вы можете рассчитать снижение потерь:

снижение потерь = 1- (0,652/1,002) = 0,58

Следовательно, снижение потерь в системе составит:

снижение потерь в системе = 0,58 x 0,05 (потери) = 0,029

Снижение общей активной нагрузки составит:

163 кВт х 0,029 = 4,7 кВт

Теперь вы можете рассчитать экономию при оплате за использованную энергию:

4,7 кВт x 730 ч/месяц x 4,08 долл. США/кВтч = 141,00 долл. США/месяц

Далее определяем экономию на текущем заряде:

4,7 кВт x 2,16 долл. США/кВт = 10,15 долл. США/мес

Наконец, помните, что штраф за реактивную мощность равен нулю.

Теперь определим срок окупаемости конденсаторной батареи.

• Стоимость конденсатора $30.00/кв.

Ежемесячная экономия составляет:

$141.00 – стоимость потребляемой энергии

$10,15 — плата за электроэнергию

$208.00 — штраф за реактивную мощность

всего 359,15 долларов США

Срок погашения составляет:

30,00 долл. США/кв.вар x 190 кв.вар/359 долл. США/мес. = 16 месяцев

Установка конденсаторов окупится за 16 месяцев.

Что я должен делать дальше?

Вы должны смотреть на коэффициент мощности в компании и что можно сделать, чтобы улучшить его.

Homov Electro может помочь вам найти лучший метод коррекции коэффициента мощности для вашей установки. Мы также можем помочь вам выбрать место установки и тип конденсаторов, которые будут установлены в системе электроснабжения.