力率と無効電力補償の相互関係

この不可解な問題に遭遇したことがありますか?電力品質を改善するために追加の補償コンデンサを設置しました - にもかかわらず、電気料金は下がりませんでした。この直感に反する結果の背後に隠された技術的原因は何ですか?この記事では、力率と無効電力の補償の中核となる基本を詳しく説明し、補償容量の計算方法を説明し、共振の危険を軽減および防止するための実践的な対策の概要を説明します。

 

力率は負荷に依存します。- DC 回路では、力率は常に正確に 1 であるため、概念自体は機能的には無関係です。 AC 電源の世界に入ると、力率が問題になります - が、ほぼ常に 1 未満になります。

 

力率は、有効電力と皮相電力の比として正式に定義されます。

有効電力: 実際の有用な仕事を生み出すために機器が消費する実際の電気エネルギー。

無効電力: 負荷によって使い果たされることはありません。その代わり。電力網内で循環し、空振動し続けるエネルギーです。

3 つの量間の幾何学的関係は次の式に従います。

                                                     P²+Q²=S²(有効電力² + 無効電力²=皮相電力²)

2. なぜ無効電力補償が必要なのでしょうか?

 

力率は基本的に、電線と負荷の容量性および誘導性の動作によって決まります。

一般的なエンドユーザー機器とは異なり、コンデンサとインダクタは両方とも電気エネルギーを引き出し、一時的に蓄えます。ほとんどの実際的なシナリオでは、消費されるエネルギーは貯蔵容量をはるかに超えます。ただし、これでもシステム内を循環する電流の一部が生成されますが、生産的な仕事はまったく行われません。

 

こう尋ねるかもしれません:その力が実際に機能しないなら、私にとって何の意味があるのでしょうか？

あなたにとっては関係のないことのように思えるかもしれませんが、発電所や送電網事業者にとっては重大な懸念事項です。発電機が安全な電流制限内で動作する場合、力率が低下すると、発電機が供給できる使用可能な生産電力の量が直接減少します。電気は有効電力消費量のみに基づいて請求されるため、無効電力は貴重な発電容量とグリッド インフラストラクチャの容量 - を浪費し、電力会社にまったく収益をもたらしません。

 

こう考えてみると、まさに地下鉄に乗っているようなものです。乗客は 1 枚の切符を購入し、列の始点から終点まで行き、その後折り返してすぐに戻ります。一日中行ったり来たりを繰り返し、駅から出ることすらありません。ほんのわずかな運賃しか支払わないにもかかわらず、交通機関の輸送力はずっと拘束されています - 地下鉄運営者が最終的に損をするのも不思議ではありません。

 

では、これをどうやって解決すればよいでしょうか?良いニュースは、容量性負荷と誘導性負荷からの無効電力は自然に互いに打ち消し合うということです。コンデンサに流れる電流は電圧より 90 度進みますが、インダクタに流れる電流は電圧より 90 度遅れます。容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスが完全にバランスすると、回路の総力率は理想値 1 に達します。

 

ここで重要な疑問が生じます。典型的な現実世界の配電システムでは、誘導負荷と容量負荷のどちらが多いのでしょうか。{0}

最も広い定義では、コンデンサは単に 2 つの絶縁された導電体であり、当然のことながら、ほとんどの場合、非常に少量の静電容量のみを示します。対照的に、インダクタンスはどこにでも存在します。コイル、電気モーター、および同様の機械には固有のものです。巻線コイルを備えた機器はすべて誘導負荷としてカウントされます。

 

これが、誘導負荷が日常の電力使用量の大半を大きく占めている理由です - であり、これがまさに、無効電力補償がほぼ常に必要となる理由です。業界の標準的なアプローチは、システム全体の力率を確実に高めるために、施設の実際の無効電力要件に応じて整合電源コンデンサのサイズを決めて設置することです。

 

報酬アプローチの選択

 

現地での-補償:低圧無効電力は LV コンデンサを使用して低電圧レベルで補償されます。{{1}、高電圧無効電力は HV コンデンサによって処理されます。-高電圧負荷が存在しない場合は、シャント コンデンサを高電圧側に決して取り付けてはいけません。-

 

スイッチング方式:手動切り替えは、安定した動作条件の静的なベース無効負荷に最適です。自動スイッチングは、過補償を防止し、軽負荷動作時の過電圧の問題を排除するのに最適です。{{1}

 

制御と規制:エネルギー効率が主な目標である場合、無効電力に基づくパラメータ制御が推奨されるソリューションです。{0}変動する衝撃-型の高速変化負荷の場合、サイリスタ-制御の補償により、スムーズで突入電流のないスイッチングが実現され、独立した分割位相補正がサポートされます。-

 

銀行グループ化の原則:コンデンサのグループ化は、スイッチング イベント中の共振のリスクを排除するために、すべてのシステム機器の仕様に適切に一致させる必要があります。

 

高調波とサージの軽減:高電圧コンデンサ バンクには直列リアクトルを取り付ける必要があります。-低電圧システムでは、個々のスイッチング段を大型化するか、専用の専用コンタクタ / サイリスタ スイッチを導入して、スイッチング突入電流を効果的に抑制できます。-

 

4. 必要な無効補償容量の決定方法

 

補償のサイジングを行う前に、次の 3 つの主要パラメータを確認する必要があります。

初期動作力率cosφ1

目標力率cosφ2

システム有効電力 P

 

計算式:

実用例

 

サイトが運営しているのは、630kVA変圧器は現在初期力率 0.6 で動作しており、力率を目標の 0.9 まで改善する必要があります。どのような補償能力が必要ですか?

 

上記の式を適用すると、およその無効需要が計算されます。334キロバール。このアプリケーションでは、334 kvar の自動的に切り替えられるコンデンサ バンクが最適で適切にマッチングされたソリューションです。

 

新規プロジェクトの迅速な見積り

既存の力率履歴記録が利用できない新規設置の場合、業界の標準的な慣例では補償容量を次のように見積もることになります。変圧器の公称定格容量の 30% ～ 40%.

 

5. 過剰な報酬のリスクは何ですか?-

 

容量性電力補償は、シャント コンデンサを配置することで機能し、グリッド電圧の安定性を維持し、電圧低下を防ぎます。とはいえ、補償バンクの規模を大きすぎると、重大な欠点が生じます。

 

不必要な系統損失:電力会社の観点から見ると、容量性無効電流と誘導性無効電流の両方により、追加の実電力損失が発生します。実際に必要とされる以上の補償を行っても、運用上の利点はゼロになります。

 

共鳴の危険性:上流の配電網が本質的に誘導性のままであるにもかかわらず、顧客側の電力網が過剰な容量性になると、リアクタンス値の不整合によりシステムの共振が発生する可能性があります。{0}}これにより極度の過電圧や過電流が引き起こされ、接続されている機器 - が永久に破壊され、最悪の場合、ローカル送電網の切断を引き起こす可能性があります。-

 

このため、過剰な補償は常に防止する必要があります。{0}業界のベストプラクティスでは、力率を約 0.9 に維持するだけで十分です。この設定値では、有効電力潮流の約半分はまだ無効電流で構成されており、これによりライン損失が 56% 増加します。 PF を 0.95 に上げた場合でも、無効成分は依然として総電力の約 31% を占めます。

 

実際の現場での運用では、危険な電圧や電流の増幅効果を排除するために、直列リアクトルを設置するなどの補足措置も必要です。