Miglioramento del fattore di potenza nei motori a induzione

Dopo aver letto questo articolo imparerai a conoscere: - 1. Introduzione al miglioramento del fattore di potenza 2. Circuito induttivo / capacitivo 3. Potenza / Fattore di potenza nel circuito resistivo 4. Fattore potenza / potenza solo induttanza 5. Potenza / Potenza Fattore di capacità solo 6. Fattore di potenza principale e ritardante 7. Effetti del fattore di bassa potenza e sua correzione e altri dettagli .

Contenuto:

  1. Introduzione al miglioramento del fattore di potenza
  2. Potenza nel circuito induttivo / capacitivo
  3. Potenza / Fattore di potenza solo nell'induttanza
  4. Potenza / Fattore di potenza solo in capacità
  5. Fattore di potenza principale e ritardante
  6. Gli effetti del fattore di bassa potenza e la sua correzione
  7. Misuratore del fattore di potenza
  8. Applicazione di condensatori di potenza
  9. Determinazione della valutazione del condensatore
  10. Vantaggi dei condensatori di potenza
  11. Stabilimenti industriali
  12. Sistemi di trasmissione

1. Introduzione al miglioramento del fattore di potenza:

Quando viene esaminata la corrente che scorre in un sistema di corrente alternata che alimenta un motore a induzione, si noterà che è maggiore di quanto ci si potrebbe aspettare dalle normali esigenze del motore. Pertanto, poiché ogni carico di miniera comprende principalmente motori a induzione, ne consegue che viene fornita una corrente più grande di quella effettivamente necessaria per fornire il lavoro da eseguire.

Questa corrente in eccesso si verifica solo nei sistemi a corrente alternata e non ha contropartita nei sistemi a corrente continua. Sorge a causa dell'effetto che la reattanza dell'avvolgimento di campo ha sul ciclo di corrente alternata.

2. Potenza nel circuito induttivo / capacitivo:

Sappiamo che in un circuito in corrente continua la potenza è data dal prodotto di tensione e corrente. Ma in un circuito ac non è vero. Se il circuito contiene reattanza induttiva o capacitiva, il prodotto di tensione e corrente non fornisce la potenza effettiva ma la potenza apparente. Questo potere effettivo è una frazione della potenza apparente, la frazione essendo nota come fattore di potenza (PF). Perciò,

3. Potenza / Fattore di potenza nel circuito resistivo:

Per ottenere la forma d'onda di potenza effettiva per una particolare tensione e corrente, è necessario moltiplicare i valori istantanei di tensione e corrente, ad esempio in un circuito che contiene solo resistenze, le forme d'onda di corrente e tensione sono come in Fig. 19.1.

Prendiamo il punto 5 in Fig. 19.1 (a), il valore della tensione è dato da AC e quello di corrente da AB. Moltiplicando questi due valori insieme si ottiene DE o il punto 5 in Fig 19.1 (b). Quando questo processo viene ripetuto per tutti gli altri punti, si ottiene la curva di potenza effettiva.

Dato che il circuito contiene solo pura resistenza, anche la curva di potenza effettiva deve essere la curva di potenza apparente.

Per un circuito resistivo puro,

Potenza effettiva = Potenza apparente.

. . . Fattore di potenza = 1 = Unità.

4. Potenza / Fattore di potenza solo nell'induttanza:

In un circuito che contiene solo induttanza (nessuna resistenza) e usando lo stesso metodo di cui sopra, la curva di potenza effettiva può essere ottenuta come mostrato in Fig. 19.2. Ora da questa figura si può vedere che per ogni mezzo ciclo di tensione ci sono due impulsi di potenza, uno positivo e uno negativo.

Perché succede? Vediamo che quando la tensione e la corrente sono entrambe positive o entrambe negative, la potenza viene alimentata all'induttanza per impostare un campo magnetico.

Quando la tensione e la corrente sono in direzioni opposte, il campo magnetico collassa, restituendo energia alla sorgente. E come tale si nota che la potenza media utilizzata su un ciclo completo è zero. La potenza apparente, tuttavia, è il prodotto di tensione e corrente e ha un valore definito. Quindi per circuito puramente induttivo

Potenza effettiva = 0,

Fattore di potenza = 0 / Potenza apparente = 0

5. Potenza / Fattore di potenza solo in capacità:

Dove un circuito contiene solo capacità, le forme d'onda di corrente e tensione sono come in Fig. 19.3. Qui come nel caso dell'induttanza, abbiamo due plus di potenza per ogni mezzo ciclo di tensione, sebbene le posizioni degli impulsi positivi e negativi siano state scambiate.

In questo caso, quando la tensione e la corrente sono sia positive che negative, viene fornita corrente alla capacità di impostare un campo elettrostatico. Quando tensione e corrente sono in direzioni opposte, il campo elettrostatico collassa restituendo energia alla sorgente.

Di nuovo, come con l'induttanza, anche se non c'è valore di potere utile, c'è un valore di potenza apparente. Quindi per un circuito puramente capacitivo

Potenza effettiva = 0

Fattore di potenza = 0 + Potenza effettiva = 0

6. Fattore di potenza principale e ritardante:

Dai circuiti di induttanza e capacità come indicato sopra, vediamo che entrambi i circuiti hanno un fattore di potenza zero. Ora per distinguere tra i due, diciamo che il circuito induttivo ha una corrente che ritarda la tensione, e quindi ha un fattore di potenza ritardato, e il circuito capacitivo ha una corrente che conduce la tensione e ha una potenza di primo piano

Inoltre, poiché un circuito di resistenza pura ha una corrente che è in fase con la tensione che dà un'unità di fattore di potenza, si può facilmente vedere che le combinazioni di tutti e tre i circuiti possono dare un fattore di potenza da qualche parte tra zero lag e zero lead. In pratica, vediamo dalla nostra esperienza che una tipica miniera di carbone o industria utilizza prevalentemente motori a induzione con fattore di potenza variabile da 0, 5 a 0, 75 in ritardo.

7. Gli effetti del fattore di bassa potenza e la sua correzione:

Un basso fattore di potenza è un affare costoso per un settore. Sfortunatamente questo è un fenomeno normale, ma non necessariamente inevitabile.

In effetti, le industrie e i consumatori pagano per il fattore di potenza basso in due modi:

(a) Sul costo iniziale dell'installazione, e

(b) Sulle tariffe per la fornitura di energia elettrica.

Pertanto, per qualsiasi settore, è necessario eseguire l'apparecchiatura in un PF più vicino all'unità. In caso di un basso fattore di potenza, il consumatore può ridurre il conto installando condensatori adeguati per migliorare il fattore di potenza. Tuttavia, il principio seguito nella correzione del fattore di potenza può essere meglio mostrato da alcuni piccoli esempi. Prendiamo il caso di un carico monofase di 250 volt con una corrente di 10 amp a un fattore di potenza 0, 71, come mostrato nella figura 19.4.

Qui vediamo:

Potenza apparente = 10 x 250 = 2500 watt,

e potenza effettiva = 10 x 250 x 0, 71 = 1775 watt ca.

È quindi possibile dimostrare che gli attuali 10 amp possono essere divisi in due componenti, uno essendo al fattore di potenza dell'unità, e l'altro essendo a fattore di potenza pari a zero come mostrato in Fig. 19.4. (B). Il valore massimo di queste correnti è di 7.1 amp.

Quello al fattore di potenza dell'unità sta facendo il lavoro utile, mentre quello a fattori di potenza in ritardo di zero è la componente di corrente di magnetizzazione che deve essere eliminata. Pertanto, una corrente esattamente uguale ma a zero deve essere applicata al circuito per annullare la corrente di magnetizzazione come mostrato in Fig. 19.5. Questo è solitamente ottenuto collegando un condensatore nel circuito di dimensioni sufficienti per fornire una corrente di 7.1 amp conduttore. Il finale è mostrato nella figura 19.6. dove una corrente ridotta di 7.1 è al fattore di potenza dell'unità.

Pertanto, Potenza effettiva = Potenza apparente = 7, 1 x 250 = 1780 watt.

In effetti, ciò che accade è che ora l'alimentazione vede solo il motore e il condensatore come un carico puramente resistivo e passa potenza sufficiente per eseguire l'effettivo lavoro di rotazione dell'albero motore, e il condensatore invia e riceve continuamente la corrente di magnetizzazione dagli avvolgimenti del motore .

In effetti, due tipi di attrezzature:

(1) Condensatori e

(2) I motori sincroni vengono utilizzati per migliorare il fattore di potenza.

Ma da questi due dispositivi i condensatori sono oggi ampiamente utilizzati per la correzione del fattore di potenza. Una tabella di correzione del fattore di potenza è riportata alla fine del capitolo. Il motivo dell'uso estensivo dei condensatori è che i condensatori statici sono disponibili in varie classificazioni appropriate e sono più facilmente installabili alla rinfusa al punto di alimentazione della miniera, o per correggere singoli motori a induzione collegando condensatori ai loro terminali. Anche i costi sono più economici.

8. Misuratori del fattore di potenza:

I misuratori di potenza sono solitamente installati nella sottostazione di superficie principale e forniscono un'indicazione diretta del fattore di potenza del circuito a cui è collegato. Uno strumento montato in tale posizione può fornire solo il fattore di potenza complessivo dell'intera miniera di carbone, o una grande sezione di esso.

Se è necessario il fattore di potenza di un singolo motore, è normale installare strumenti portatili per registrare la tensione e la corrente effettive da cui è possibile calcolare il fattore di potenza o, in molti casi, registrare direttamente.

9. Applicazione dei condensatori di potenza:

Un ingegnere dovrebbe sempre prestare attenzione all'applicazione dei condensatori. Infatti, dalla nostra esperienza vediamo che per il buon funzionamento del miglioramento del fattore di potenza, molto dipende dalla posizione dei condensatori nel sistema, e le condizioni ideali si ottengono quando il fattore di potenza più alto viene mantenuto in tutte le condizioni di carico.

In pratica, per ottenere una disposizione flessibile, il KVA totale richiesto è solitamente suddiviso in valutazioni più piccole e questo può essere ottenuto come spiegato di seguito:

(a) Metodo di correzione PF individuale:

Questo sistema di correzione viene applicato per motori ad induzione di grandi dimensioni, trasformatori e apparecchiature per la saldatura ad arco, che vengono utilizzati per lunghi periodi. In ogni caso il condensatore è collegato in parallelo direttamente ai terminali. E come tale, il condensatore può essere acceso e spento insieme all'apparecchiatura stessa.

Questo metodo ha il più grande vantaggio di alleviare tutte le linee di alimentazione che portano a apparecchiature che consumano energia reattiva. Inoltre, questo metodo è automatico e garantisce anche un elevato fattore di potenza in condizioni di carico. La tabella 19.1. aiuta a determinare la capacità del condensatore per la connessione diretta ai motori a induzione.

(b) Metodo di correzione PF di gruppo:

In un sistema in cui una grande parte del carico è composta da piccoli motori e l'operazione è periodica, la correzione del fattore di potenza individuale non è né praticabile né economica. In questi casi la correzione viene raggiunta da condensatori più grandi collegati attraverso le sbarre principali e controllati da interruttori azionati manualmente.

(c) Correzione automatica PF:

Nei sistemi in cui le fluttuazioni del carico sono elevate, il controllo automatico è il metodo ideale. Il condensatore totale KVAr è suddiviso in un certo numero di stadi di regolazione di, per quanto possibile, uguale capacità. Per compensare la potenza reattiva a vuoto dei trasformatori e delle apparecchiature collegate in modo permanente, viene fornito uno stadio fisso, indipendente dalla sezione automatica, che rimane collegato all'impianto in modo permanente. Per mezzo di un relè di potenza reattiva, gli stadi di regolazione vengono accesi e spenti, a seconda dei casi, fino al raggiungimento del PF desiderato preimpostato.

Tuttavia, per eliminare una commutazione eccessivamente frequente, quando si verificano picchi di breve durata, viene incorporato un relè temporizzatore per la commutazione da stadio a stadio. Ancora, in caso di interruzione dell'alimentazione, il relè di tensione zero ripristina i dispositivi di controllo nella loro posizione neutra in modo che, al ripristino dell'alimentazione, gli stadi del condensatore vengano riaccesi fase per fase, evitando in tal modo eventuali picchi di corrente e tensione indesiderati.

10. Determinazione del rating del condensatore:

Per determinare la capacità del condensatore per migliorare la potenza da Cos φ 1 a Cos φ 2 fare riferimento alla Fig. 19.6 dando un diagramma vettoriale.

Secondo lo schema vettoriale, la quantità di compensazione richiesta

Nella Tabella 19.1. vediamo una tabella di selezione dei condensatori.

Di seguito viene fornito un esempio per spiegare l'economia dei condensatori di potenza. Un consumatore con un carico massimo di 5000 KW aveva un fattore di potenza del carico di 0, 8. La richiesta massima in KVA era di 6250. La tariffa massima KVA era, per esempio, Rs. 10 / - per KVA al mese.

Per migliorare il fattore di potenza, ad esempio, a 0, 95, sono stati installati condensatori con un rating di 2105 KVAr in base al calcolo riportato di seguito :

Ora dire investimento di capitale per il condensatore @ Rs. 60 = 2105 x 60 = Rs. 1, 26, 300. Pertanto, l'investimento di capitale per l'installazione del condensatore verrebbe infatti recuperato in circa 13 mesi e dopo tale periodo si avrebbe un risparmio mensile di Rs. 9850.

Nell'esempio sopra riportato supponiamo che trasformatori, quadri e cavi siano stati classificati per movimentare solo 6250 KVA. Quindi con un fattore di potenza 0.8 potevano gestire solo un carico di 5000 KW mentre migliorando il fattore di potenza a 0, 95 installando i condensatori, ora possono gestire 5940 KW, il che significa che:

(a) Una potenza extra attiva di 940 KW è ora disponibile per il consumatore senza alcuna sanzione speciale da parte dell'impresa di fornitura.

(b) La stessa apparecchiatura manterrebbe 940 KW in più di potenza attiva, aumentandone l'utilità e l'efficienza.

Pertanto l'installazione dei condensatori di potenza ha portato i seguenti vantaggi:

(1) Una sostanziale riduzione della bolletta elettrica.

(2) Un migliore utilizzo della capacità dei trasformatori, dei commutatori, dei cavi ecc. Specialmente se la potenza viene ricevuta ad alta tensione dall'impegno di fornitura.

(3) Una tensione di alimentazione più stabile che significa prestazioni migliori e più efficienti delle macchine elettriche.

11. Vantaggi dei condensatori di potenza:

I principali vantaggi dell'installazione dei condensatori di potenza sono:

1. Riduzione sostanziale della domanda di KVA:

Questa riduzione della domanda di KVA riduce la tariffa applicata dalle imprese di fornitura di energia elettrica sulla base degli oneri energetici e del KVA massimo richiesto. Alcune imprese applicano una penalità per il fattore di potenza basso offrendo al tempo stesso un bonus di incentivo per un fattore di potenza più elevato. I condensatori di potenza rendono questo bonus incentivo una realtà.

2. Riduzione considerevole di trasformatori e perdite di linea:

Ciò è possibile perché la riduzione della domanda di KVA fa sì che una corrente più piccola fluisca attraverso le linee. Di conseguenza, vi è un utilizzo ottimale della capacità esistente di trasformatori, quadri e linee.

3. Riduzione al minimo delle cadute di tensione nelle linee:

Con la riduzione al minimo delle cadute di tensione nelle linee, si ottiene una prestazione migliore delle apparecchiature elettriche.

4. L'installazione di condensatori di potenza aiuta a ridurre la richiesta di potenza reattiva dal sistema di alimentazione, poiché il condensatore stesso fornisce la potenza reattiva necessaria per motori, trasformatori e altri carichi induttivi, e quindi migliora il fattore di potenza del sistema. Il sistema di distribuzione di energia è lasciato a occuparsi principalmente della fornitura di energia attiva.

I condensatori di potenza rilasciano anche la capacità del sistema e il possibile aumento del carico attivo in un impianto è pari a circa il 30% se il suo fattore di potenza è aumentato da 0, 7 a 0, 95. I condensatori di potenza migliorano il fattore di potenza, fornendo la stessa potenza per meno soldi, e dove è operativa una richiesta KVA o una clausola di fattore di potenza, i risparmi sono davvero impressionanti. Il costo iniziale di un'installazione di un condensatore di potenza viene recuperato entro un anno o due dalla sua installazione e il risparmio effettuato successivamente è interamente un utile netto per gli anni a venire.

12. Impianti industriali:

Nella maggior parte degli impianti industriali, la maggior parte delle apparecchiature elettriche a corrente alternata come i motori a induzione, i trasformatori, le apparecchiature di saldatura ecc. Richiedono potenza reattiva per il loro campo magnetico. Ma a differenza della potenza attiva, questa potenza reattiva non viene convertita in potenza meccanica, ma oscilla avanti e indietro tra il generatore e l'apparecchiatura che consuma e costituisce un carico aggiuntivo sul sistema di alimentazione. Ciò si traduce nei seguenti svantaggi economici e tecnici.

(1) Un forte sovrapprezzo nella bolletta elettrica del cliente per un basso fattore di potenza.

(2) Cavi, quadri e trasformatori trasportano la corrente extra wattless, rendendo così sottoutilizzate le apparecchiature elettriche e gli investimenti di capitale.

(3) Eccessiva caduta di tensione e riduzione dell'efficienza delle apparecchiature elettriche.

13. Sistemi di trasmissione:

Nei sistemi di trasmissione, da un punto di vista economico, esiste un valore ottimale della potenza reattiva che può essere trasmessa dalla stazione di generazione. Nelle griglie del grande sistema di interconnessione, il valore ottimale non è fisso e varia da ora a ora.

È più economico e vantaggioso fornire alimentazione reattiva nell'area di carico da installazioni di condensatori di potenza che generare e trasmettere potenza reattiva su linee di trasmissione.

Tuttavia, in base al sistema o ai requisiti di installazione, è possibile fornire un condensatore di potenza adeguatamente predisposto

(1) miglioramento del fattore di potenza.

(2) regolazione della tensione migliorata.

(3) riduzione delle perdite di linea.

(4) rilascio della capacità di carico del circuito.

(5) riduzione della fluttuazione della tensione e della reattanza del circuito.

Informazioni da fornire con richieste:

1. Uscita richiesta in KV Ar

2. Tensione nominale

3. Frequenza nominale

4. Numero di fasi

5. Indicare se sono previsti aumenti di tensione anormali. In tal caso, si dovrebbe prevedere la tensione più alta.

6. Limite superiore della categoria di temperatura.

7. Posizione del condensatore proposta, all'interno o all'esterno.

8. Altitudine sul livello del mare della posizione del condensatore, se superiore a 1000 metri.

9. Natura del circuito di alimentazione: ad esempio, se il condensatore deve essere collegato

(a) a una sottostazione locale, (in tal caso, indicare la potenza KVA dei trasformatori, ecc.)

(b) a una rete locale sotterranea

(c) alle linee aeree.

10. Se il condensatore deve essere collegato direttamente alle linee aeree controllare se:

(a) i temporali sono prevalenti nella località?

(b) alle linee sono installati parafulmini o deviatori di picchi?

11. Dettagli del quadro o del controller automatico da utilizzare con il condensatore.

12. Se il condensatore deve essere collegato direttamente ai terminali di un motore, indicare la potenza nominale del motore, la velocità, il tipo, il costruttore.

13. Qualsiasi requisito speciale che possa influire sulla progettazione o sul funzionamento del condensatore.

Servizio tecnico:

Poiché ogni installazione presenta diversi problemi, l'installazione del condensatore di potenza deve essere attentamente progettata per soddisfare particolari condizioni di carico e di tariffa.