ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Сысун В.И., Тихомиров А.А.

Профессор, Петрозаводский государственный университет, доцент, Петрозаводский государственный университет

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Аннотация

В статье рассмотрена возможность электромеханической компенсации реактивной мощности, показаны экспериментальные результаты и их сравнение с теорией.

Ключевые слова: энергосбережение, компенсация реактивной мощности, автоматика. 

Sysun V.I., Tikhomirov А.А.

Professor, PetrozavodskState university

Associate professor, PetrozavodskState university

ELECTROMECHANICAL COMPENSATOR OF REACTIVE POWER

Abstract

The article consideres the opportunity of electromechanical compensation of reactive power, the experimental results are shown and compared with theory.

Keywords: power saving, compensation of reactive power, automation.

Известно, что электрическая энергия состоит из двух частей: активной и реактивной. Первая преобразуется в различные виды полезной энергии (тепловую, механическую и пр.), вторая – создаёт электромагнитные поля в нагрузке (трансформаторы, электродвигатели, дроссели, индукционные печи, осветительные приборы). Несмотря на необходимость реактивной энергии для работы указанного оборудования, она  дополнительно нагружает электросеть, увеличивая потери активной составляющей.

В электрических сетях типовая нагрузка (двигатели, трансформаторы, электромагниты, дроссели и т.д.) имеют индуктивный характер. Таким образом ток отстает по фазе от напряжения на при этом активная мощность, т.е. средняя за период мощность, равна нулю. В тоже время как в нагрузке, так и в источнике протекает ток, что является отрицательным эффектом.

Цель работы – рассмотрение возможности электромеханической компенсации реактивной мощности при вращательном колебании источника механической инерции.

Мгновенная мощность U(t)*I(t) полпериода положительна (забирается от сети на создание магнитного поля), а другие полпериода отрицательна (отдается в сеть от энергии магнитного поля в индуктивности)

Принято эту мощность называть реактивной для компенсации реактивной мощности чаще всего ставят конденсаторы [1]. Однако емкости имеют большие габариты и стоимость, из-за малой возможной удельной мощности электрического поля в конденсаторе.

Типичные однофазные компенсационные конденсаторы:

КМ-1.05 (28,8 мкФ;1,05 кВ;-Q=10 кВАР; m=2.4 кг; V~0.02 ; -Q/V=500 кВАр/ ;-Q/m=0.41 кВАр/кг

КМ-10.5(0,635 мкФ; 10,5кВ; -Q=22кВАР; m=60 кг;-Q/m=0.37кВАР/кг)

Использование в качестве компенсатора реактивной мощности синхронных двигателей не на много увеличивает удельную отрицательную мощность. Существенно большей энергией (по сравнению с электрической энергией электрического поля в конденсаторе) обладает кинетическая энергия движущейся массы, так, даже при умеренной скорости

V=10 м/с удельная мощность на порядок выше (-Q/m=5000 ВАР/кг).

В настоящей работе рассмотрена возможность компенсации реактивной мощности за счет ее перевода из сети и возврата ее в сеть от механической (кинетической) энергии колебания ротора.

Рассмотрим принципиальную схему такого компенсатора. В качестве основы примем конструкцию однофазной синхронной машины. Ротор есть постоянный магнит или электромагнит с двумя парами полюсов. Питание электромагнита осуществляется от колец на оси. В статоре уложена в пазах двойная однофазная обмотка, на которую подается синусоидальное напряжение от сети, контролируемое регулятором. Пусть l -длина паза в статоре, n-общее число пазов, В-индукция магнитного поля, r-радиус ротора. Переменный ток в обмотке статора вызывает вращающую силу F=IBLn, приводящую к колебаниям ротора. Скорость ротора определяется уравнением вращательного движения:

 где J-момент инерции ротора.

С другой стороны, колебания ротора в магнитном поле индукции B приведут к наведению  на статоре напряжения  U  согласно известному выражению:

Тогда вспоминая определение емкости, и сравнивая предыдущих два выражения, мы можем получить следующее выражение:

То есть механическая инерция ротора эквивалента емкостной реактивной мощности, которая может  компенсировать индуктивную реактивную мощность сети.

Внутренний диаметр статора - 140 мм.  Статор имеет 36 пазов по 36 проводов в каждом пазу. Активное сопротивление обмотки одной фазы статора - 1,2 Ом. Индуктивное сопротивление при токах в фазе 0,5-8А почти не меняется и составляет 14,6 Ом (при наличии ротора). Ротор имеет 110*2 витков проводом диаметром 2,5мм с  сопротивлением 1,5 Ом. При токе в роторе более 20А создается близкое к насыщению магнитное поле примерно 1,8 Тл. Масса ребер без вала примерно 3,2 кг. Индуктивность ротора 46.5 мкГн.

К источнику синусоидального напряжения 5А подключается одна фаза статора. На ротор подается постоянный ток от выпрямителя. Измеряем ток и напряжение в цепи ротора и статора. При росте тока ротора наблюдается рост тока в статоре более чем в 5 раз. При этом возникает колебательное движение колебательное движение ротора малой амплитуды. Сдвиг фаз между током и напряжением статора уменьшается с 90 до 60 градусов.

Эффективность электромеханического компенсатора, при типичной скорости колебания ротора 0,26 м/с

Полное сопротивление статора: Ом

При напряжении на статоре 20В при данном сопротивлении ток должен составлять примерно 7А, что близко к экспериментально полученным данным. Эффект электромеханической компенсации реактивной мощности за счет добавления эффективной емкости по-видимому является эффективным перспективным энергосберегающим методом.

Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития Петрозаводского государственного университета на 2012–2016 годы, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, государственных контрактов № 14.740.11.0895, № 14.740.11.0137, № 16.740.11.0562, № 14.740.11.1157, № 14.B37.21.0755, № 14.B37.21.0747, № 14.B37.21.1066, а также в соответствии с государственным заданием Минобрнауки России и заказом Департамента научных и научно-педагогических кадров на оказание услуг № 2.3282.2011 и № 2.2774.2011.

Литература

1. Андреева Е.В. Конденсаторы для компенсации реактивной мощности сельских низковольтных сетей // Инженерно-техническое обеспечение АПК. Реферативный журнал – 2011. - № 2. – С. 335 - 335.