1.
Площади поперечного сечения приводов линий электропередачи и электрических сетей, обмоток электрических машин, трансформаторов, электротехнических аппаратов и приборов выбираются, исходя из нагревания, по значению тока в них, который при заданном напряжении переменного тока прямо пропорционален полной мощности S. А энергия, преобразуемая из электрической в другие виды (в механическую, тепловую и т. д.) и используемая в большей части для практических целей, пропорциональна активной энергии и соответствующей ей активной мощности Р.
Как известно, между указанными мощностями и реактивной мощностью существуют соотношения
Входящий в первое выражение cos φ называется коэффициентом мощности и показывает, какую часть полной мощности составляет активная мощность:
Считая, что активная мощность установки, значение которой зависит в основном от мощности приемников, остается постоянной, выясним, к чему приведет увеличение коэффициента мощности установки.
Как следует из приведенных формул, при увеличении cos φ мощность S уменьшается. При Р = const это может происходить лишь за счет уменьшения реактивной мощности Q установки. Снижение мощности S приводит к уменьшению линейного тока Iл . Последнее будет сопровождаться уменьшением потерь напряжения и мощности в сопротивлениях проводов сети, обмотках трансформаторов и генераторов.
Очевидно, при уменьшении тока площади поперечного сечения названных элементов могут быть также уменьшены. В отношении трансформаторов и генераторов это приводит к уменьшению габаритных размеров, расхода дефицитных материалов на изготовление, массы, номинальной мощности и стоимости.
В действующей установке повышение cos φ при существующей площади поперечного сечения проводов позволит увеличить число приемников, которые могут быть подключены к данной сети.
Таким образом, повышение коэффициента мощности дает определенные выгоды во многих отношениях, а поэтому имеет большое народнохозяйственное значение.
Для уменьшения индуктивной мощности и увеличения тем самым cos φ необходимо прежде всего:
- выбирать правильно двигатели по мощности, так как необоснованное завышение мощности приведет к их работе с недогрузкой, а при этом, как правило, cos φ понижается;
- заменять двигатели, работающие с недогрузкой, двигателями меньшей мощности;
- сокращать по возможности времена работы двигателей и трансформаторов вхолостую.
Если все же cos φ оказывается недостаточно высоким, прибегают часто к его искусственному повышению. Для этой цели подключают к трехфазной сети компенсирующие устройства, к которым относятся батареи конденсаторов и трехфазные синхронные компенсаторы.Чтобы уменьшить ток проводов сети, батарею конденсаторов устанавливают по возможности вблизи приемников.
Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных двигателей, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивный ток необходим для создания вращающегося магнитного поля у электрических машин и переменного магнитного потока трансформаторов.
Активная мощность таких потребителей при заданных значениях тока и напряжения зависит от cosφ:
P = UICosφ, I = P / UCosφ
Снижение коэффициента мощности приводит к увеличению тока.
Косинус фи особенно сильно снижается при работе двигателей и трансформаторов вхолостую или при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей используется не полностью. С уменьшением cosφ значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов и катушек электрических аппаратов.
Коэффициент мощности показывает, как используется номинальная мощность источника.
Следовательно, повышение коэффициента мощности увеличивает степень использования мощности генераторов.
Для повышения коэффициента мощности (cosφ) электрических установок применяют компенсацию реактивной мощности.
Увеличения коэффициента мощности (уменьшения угла φ - сдвига фаз тока и напряжения) можно добиться следующими способами:
1) заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности,
2) понижением напряжения
3) выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу,
4) включением в сеть специальных компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока.
На мощных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы - синхронные перевозбужденные электродвигатели.
МЦ состоит из следующих элементов: источник магнитодвижущей силы, катушка, подвижный и неподвижный магнитопровод, воздушный зазор. Катушка представляет собой каркас, выполненный из диэлектрика, на который намотан медный провод круглого сечения. В качестве материала для магнитопровода используют сталь и ее сплавы.
Для электромагнитной системы переменного тока применяют магнитомягкие материалы, которые, обладая наиболее узкой петлей гистерезиса, отличаются высокой магнитной проницаемостью. Эти материалы отличаются прямой намагничивания, представляющей собой прямую зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля.
Для постоянного магнита применяют магнитотвердые материалы, которые, напротив, обладают широкой петлей гистерезиса и характеризующиеся малой магнитной проницаемостью. При расчете МЦ необходимо определить проводимость воздушного зазора.
Её величина прямо пропорциональна сечению объема, по которому, собственно, проходит магнитный поток и обратно пропорциональна длине воздушного зазора в магнитопроводе. Изменяемый при перемещении якоря в магнитопроводе воздушный зазор, называется рабочим воздушным зазором.
Различают следующие виды МЦ: неразветвленные – когда магнитный поток замыкается последовательно и будет одинаков на всех участках этой МЦ и разветвленные – магнитный поток в таких МЦ замыкается по двум и более параллельным магнитопроводам.
Совокупность нескольких участков: ферромагнитных (сталь) и неферромагнитных (воздух), по которым замыкаются линии магнитного потока, составляют магнитную цепь.
Основным законом, используемым при расчетах магнитных цепей, является закон полного тока.
(9.1)
Он формулируется следующим образом: линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Если контур интегрирования охватывает катушку с числом витков W, через которую протекает ток I, то алгебраическая сумма токов 
, где F - магнитодвижущая сила.
Обычно контур интегрирования выбирают таким образом, чтобы он совпадал с силовой линией магнитного поля, тогда векторное произведение в формуле (9.1) можно заменить произведением скалярных величин H·dl. В практических расчетах интеграл 
заменяют суммой 
и выбирают отдельные участки магнитной цепи таким образом, чтобы H1, H2, . . . вдоль этих участков можно было считать приблизительно постоянными. При этом (9.1) переходит в
(9.2)
где l1, l2, …, ln - длины участков магнитной цепи;
H1·l1, H2·l2 - магнитные напряжения участков цепи. Магнитным сопротивлением участка магнитной цепи называется отношение магнитного напряжения рассматриваемого участка к магнитному потоку в этом участке
,
где S - площадь поперечного сечения участка магнитной цепи,
l - длина участка.
Рассмотрим расчет магнитной цепи, изображенной на рис. 9.2.
Ферромагнитный магнитопровод имеет одинаковую площадь поперечного сечения S.
lср - длина средней силовой линии магнитного поля в магнитопроводе;
δ - толщина воздушного зазора.
На магнитопроводе размещена обмотка, по которой протекает ток I.
Рис. 9.2
Прямая задача расчета магнитной цепи заключается в том, что задан магнитный поток Ф и требуется определить магнитодвижущую силу F. Определим магнитную индукцию в магнитопроводе
.
По кривой намагничивания найдем значение напряженности магнитного поля H, соответствующее величине В.
Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре
.
Магнитодвижущая сила обмотки
.
При обратной задаче расчета магнитной цепи по заданному значению магнитодвижущей силы требуется определить магнитный поток. Расчет такой задачи выполняется с помощью магнитной характеристики цепи F = f(Ф).
Все эти меры широко используют при конструировании электрических машин и аппаратов. Магнитопроводы стараются выполнить из высококачественных ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью (электротехнической стали или специальных сплавов), воздушные зазоры свести до минимальных значений.
