Сдвиг фаз

Сдвиг фаз, разность фаз, несовпадение во времени между одинаковыми стадиями (фазами) процесса изменения электрич. напряжения и силы тока (или двух ыа-

Фигура 1.

пряжений или двух токов), изменяющихся периодически (обычно по закону синусоиды) с одинаковой частотой (смотрите Переменные токи).

Если напряжение U и ток I проходят через нулевые или максимальные значения одновременно (фигура 1), то они «совпадают по фазе» (ток в фазе с напряжением). При не-φ*0 соблюдении этого условия они «сдвинуты по фазе»; в таком случае изображающие их кривые сдвинуты одна относительно другой на нек-рую часть периода (фигура 2). Пусть ток и напряжение изображаются соответственно ур-иями i=I_m sin ωί и и=Z7_msin (аЯ + 9?),

где i и и — мгновенные значения силы тока и напряжения, 1_т и U_m — их максимальные значения, ω — 2л=γ—’Электрическая угловая скорость, причем — частота, то есть число пер/ск., Т — продолжительность периода в долях ск.; t — время, отсчет к-рего ведут с того момента, когда i=0 и возрастает в положительном направлении. Ток достигает максимального значения, когда напряжение же достигает максимума, когда t=^j —£·. Если φ > 0, то напряжение достигает максимума на ск. ранее, чем ток станет максимальным (или ток достигает максимума на ск. позже, чем напряжение); если ψ < 0, то ток достигнет максимума на — ск. ранее напряжения. Угол φ называют углом сдига фаз (или сдвигом ф а з) между напряжением и током; ток запаздывает относительно напряжения на угол <р (при φ > 0) или опережает напряжение на угол φ (при φ < 0). При изображении с помощью векторной диаграммы φ есть угол менаду векторами напряжения и тока. С. ф. изменяется в зависимости от электрич. постоянных цепи в пределах от φ=0 до φ =. При отсутствии маг нитных и электрических полей (цепь составлена только из безиндукционных сопротивлений) φ — 0: ток и напряжение совпадают по фасе. В идеальной цепи с одними лишь индуктивными сопротивлениями (магнитные поля) и свободной от омического сопротивления ток запаздывает относительно напряжения на φ =90° (сдвиг фаз положительный); в идеальной цепи с одними лишь емкостными сопротивлениями (электрич. поля) и свободной от омич, сопротивления ток опережает напряжение: φ — — 90° (С. ф. отрицательный). В этих двух предельных случаях, когда φ=± 90°, говорят, что напряжение и ток «находятся в квадратуре» (в русской литературе это выражение применяется сравнительно редко). На практике приходится иметь дело с цепями, наряду с реактивными сопротивлениями (индуктивным сопротивлением

coi или емкостным А, а иногда и с обоими одновременно) содержащими и активное (омическое) сопротивление Д; при этом С. ф. будет иметь какое-нибудь промежуточное между 0 и 90° значение, определяемое выражением

ω L--^

, (оС

φ=arc tg -

В частном случае, если

cui —

шС

О,

то φ обращается в пуль и ток совпадает по фазе с напряжением: влияние индуктивных сопротивлений компенсируется влиянием емкостных (резонанс).

Причины сдвига фаз и практические последствия его. На многие из цепей переменного тока (установки для генерирования, канализации и потребления электрической энергии) оказывает неблагоприятное влияние то обстоятельство, что в них циркулируют токи, которые необходимы для поддержания надлежащего электромагнитного режима, но не м. б. превращены в полезную энергию. С электродвигателями, трансформаторами и проводами спя-U зано существование пульсирующих магнитных полей; возникновение и исчезновение этих полей сопряжено с пульсацией энергии, которая ~У передается из электрической цепи в магнитное поле и обратно из поля в цепь, не совершая при этом полезной работы. Соответствующие этой реактивной мощности токи в проводах называются р е а к-т и в н ы м и; они сдвинуты по фазе на 90° относительно активных токов. Полный ток I, состоящий из реактивной слагающей 1_Ги активной 1_а (фигура 3), оказывается вследствие этого сдвинутым по фазе относительно напряжения на пек-рый угол φ. Отношение активной составляющей тока 1_а к полному току I, то есть

ccs φ=γ, называют к о э φ и ц и е н т ом м о щ~

1а

Фигура 3.

н о с т и: на него надо умножить произведение U на I, чтобы получить действительную мощность (к-рую можно превратить в механич. мощность или мощность, соответствующую какому-нибудь другому виду энергии), зависящую от активной составляющей тока 1_а:

Р_а=UI cos φ=UIа

(активная составляющая мощности). Реактивной составляющей тока 1_Г соответствует реактивная составляющая мощности P_r=UI sin φ — UI_r,

связанная с существованием магнитного поля. Соотношения между напряжением, составляющими тока (1_а и 1_Г) и ]к_гмощностью в извест- ~

ной степени поясняет .--<

аналогия с общим за- _„ ^0м

коном для механич. _{фиг 4}

работы: работа равна произведению силы на путь. Пользуясь такой формулировкой закона, получают (путем умножения силы в килограммах на путь в м) правильное значение работы в кем только в том случае, если пройденное расстояние совпадает с направлением силы; на фигуре 4 сила в ft, ₌(_хг 1 килограмм действует на отрезке пути ³ в 10 ж — работа равна 10 килограммм

.^,п на фигуре 5 сила /_а дей-

q Iqu ствует под углом в 60°

* к пути перемещения—

Фигура 5. полезная работа рав на произведению пройденного расстояния на составляющую силы f_n, действующую по направлению пути перемещения (аналогия с активной составляющей тока). Все части установки (провода и прочие) должен быть рассчитаны на полную (кажущуюся) мощность р=+=νΥΊΪ+Ά·

Поэтому реактивные токи и связанные с ними С. ф. между напряжениями и токами заставляют увеличивать размеры частей установки по сравнению с теми, которые были бы необходимы для передачи желаемой полезной мощности.

Магнитное поле является аккумулятором энергии: с возникновением магнитного поля сопряжена затрата некоторого количества энергии, необходимого для создания поля; эту энергию поле при своем исчезновении отдает обратно в электрич. цепь, из которой оно эту энергию почерпнуло. При получении поля с помощью переменного тока все время имеет место процесс переливания энергии из электрич. цепи в магнитное поле и обратно. Поля и связанные с ними С. ф. зависят от характера нагрузки (приемников) и свойств самих проводов (смотрите Провода электрические и Сети электрические). На практике чаще встречаются поля магнитные; с электрич. полями приходится иметь дело преимущественно в высоковольтных установках (обладающие значительной емкостью кабели и линии большого протяжения). Практически С. ф. можно считать равным нулю при нагрузке в виде одних ламп накаливания или синхронных двигателей (или синхронных преобразователей), работающих при cos φ=1 и при низковольтных не слишком длинных проводах (распределительные сети). Во всех других случаях, и особенно при наличии асинхронных двигателей, φ ф 0. У асинхронных двигателей вообще cos φ < 1 (в лучшем случае порядка 0,8). Выгодны для асинхронных двигателей (в отношении уменьшения С. ф.) большое число обо ротов, небольшой воздушный промежуток между статором и ротором и небольшая частота питающего двигатель тока. Коэфициент мощности (cos φ), к-рый изображает отношение превращаемой в механическую активной мощности к полной электрич. мощности цепи,

при холостом ходе двигателя почти равен нулю; при возрастании нагрузки cos φ улучшается (увеличивается), так как реактивная мощность, соответствующая главному магнитному полю (в воздушном промежутке между статором и ротором) и полю рассеяния (вокруг проводов статора и ротора), возрастает медленнее, чем активная мощность Р_а, соответствующая полезной механич. мощности и потерям энергии; только при очень больших перегрузках cos?) может начать вновь убывать вследствие быстрого возрастания полей рассеяния. У больших двигателей cos?) больше, чем у малых. У трансформаторов для понижения реактивной мощности желательно возможное уменьшение воздушных промежутков (возможно более плотная пригонка сердечника к ярму в стыках); тогда реактивная мощность зависит только от энергии намагничивания самого железа, которая сравнительно мала, пока магнитная индукция не превышает 15 000 гауссов. При нагрузке трансформаторов между первичной и вторичной обмоткой также возникают увеличивающие реактивную мощность поля рассеяния, которых невозможно избежать полностью. Провода линий передач также создают в окружающем пространстве магнитное поле, с которым при больших силах токов, значительной длине линий и больших расстояниях между проводами связана значительная реактивная мощность; т. к. величина ее пропорциональна квадрату силы тока, протекающего по проводам, то она равна 0 при холостом ходе, сильно возрастая при перегрузке.

Т. о. физич. причины возникновения реактивной мощности не удается устранить полностью, вследствие чего, оперируя с переменными магнитными полями, всегда приходится иметь дело с некоторой величиной реактивной мощности и следовательно с коэф-том мощности, меньшим единицы. Двигатели рассчитывают т. о., чтобы они имели наибольшее значение cos?) приблизительно при нормальной нагрузке; при недогрузке двигателя cos φ неизбежно понижается. Если по соображениям механич. надежности работы двигатели выбирают большей мощности, чем необходимо, или с особенно большим воздушным промежутком, то cos?) ухудшается. Применение многих мелких трансформаторов вместо небольшого числа крупных больше нагруженных также сопряжено со значительной силы токами холостого хода, которые в периоды слабой нагрузки сильно ухудшают cos?) установки. Так я;е и та реактивная мощность, которая обязана своим возникновением системе проводов, может при нек-рых обстоятельствах стать заметной (но в отличие от двигателей и трансформаторов— только при сильной нагрузке). В связи с этим и способность линий передач к перегрузкам оказывается ограниченной вследствие быстрого возрастания реактивной мощности. Наиболее вредные влияния реактивных токов на электрич. установки связаны с тем, что эти токи создают точно так же, как и активные токи, во всех проводниках джоулевы по-

тери на нагревание, что сопряжено с подводом непроизводительно затрачиваемой энергии от электрической станции. Полные потери на нагревание складываются арифметически из потерь, вызываемых активными токами, и потерь от реактивных токов:

Q=Q_a + Qr=^R(^pa +?).

Т. о. cos у, которым чаще всего пользуются в качестве мерила С. ф., дает преуменьшенное представление относительно увеличения потерь: например при реактивном токе, составляющем 80% от активного, когда вызываемые реактивным током потери на нагревание равны следовательно 64% величины потерь от активного тока, cos у упадет только до 0,78. Гораздо более показательные результаты получались бы, если для оценки увеличения потерь пользоваться выражением:

Эти увеличенные потери на нагревание получаются не только в проводах, но и в трансформаторах, через которые они протекают от мест своего возникновения к электрической станции; в связи с ними приходится увеличивать сечения всех проводов. В меньшей степени это сказывается, если сеть невелика, а снабжающая ее станция расположена в центре ее (например фабрично-заводская установка). Но реактивная мощность может оказать весьма неблагоприятное влияние на экономичность установки, если станция находится на большом расстоянии от района потребления; в этом случае необходимо принять особые меры для улучшения cosy или для разгрузки системы проводов от реактивных токов. Кроме потерь реактивный ток вызывает в длинных линиях значительное падение напряжения: при больших С. ф. над падением, к-рое создает активный ток, будет преобладать падение, вызываемое реактивным током в индуктивном сопротивлении линии. В сетях большого протяжения это обстоятельство используют для регулирования напряжения. Устанавливая в соответствующих местах машины, генерирующие реактивную мощность, регулируют циркуляцию реактивных токов в линиях т. о., чтобы искусственно увеличивать или уменьшать падение напряжения; кроме того для регулирования С. ф. применяют специальные трансформаторы. Особенно неблагоприятное влияние оказывает С. ф. на генераторы электрич. станции: чтобы поднять напряжение генераторов, понизившееся вследствие размагничивающего действия реактивных токов, приходится значительно усиливать ток возбуждения, что возможно только до известных пределов, в связи с нагреванием обмотки возбуждения.

Измерение угла С. ф. реактивной мощности и энергии. Угол С. ф. можно определить при однофазном токе по показаниям ваттметра, вольтметра и амперметра (перемножив вольты на амперы и разделив на это произведение ватты, получают cosy), а при трехфазном токе с симметричной нагрузкой фаз по показаниям двух ваттметров:

где W j — большее и W₂ — меньшее из двух показаний ваттметров. От хлопотливых вычислений избавляет и дает более точные результаты пользование специальными приборами — фазо метрами, — непосредственно показывающими cosy. За последнее время в связи с тарифной политикой, стремящейся стимулировать улучшение cos у у абонентов, приобрел большое значение вопрос об особом учете реактивных мощности и энергии, а также кажущихся мощности и энергии. Специальные ваттметры непосредственно показывают реактивную мощность. Благодаря искусственному, с помощью реактивных катушек, С. ф. на 90° между токами в обмотках ваттметра последний показывает вместо Р_а=UI cos у величину

P_r=UI cos (90 — φ)=υΐ sin у (т. н. с и н у с в а т т м е т р) или кажущуюся мощность (вольтамперметры, принцип действия которых основан также на искусственном С. ф. между токами в обмотках прибора). Аналогичные идеи положены в основу устройства синус-счетчиков, служащих для учета реактивной энергии в однофазной цепи. В трехфазной цепи для этой цели применяются двухэлементные синус-счетчики, включаемые по схеме Арона, либо двух- или трехэлементные счетчики специальной конструкции.

Средства для улучшения cosy. Тарификация электрической энергии. Война 1914—1918 гг., приведшая в связи с вызванным ей топливным кризисом к стремлению рационализировать использование энергетических ресурсов, создала за границей повышенный интерес к проблеме улучшения cosy. Грандиозные масштабы развития энергетики в СССР придают этой проблеме в нашей стране особое значение. Вместе с тем плановый характер нашего хозяйства открывает широкие возможности для эффективного использования всех средств, предложенных для уменьшения С. ф. в целях возможного смягчения его неблагоприятных последствий как технических (более высокие падения напряжения, трудности регулирования и большие токи короткого замыкания вследствие необходимости сильно перевозбуждать генераторы), так и экономических (меньшая возможность полного использования установки, а отсюда — увеличение капитальных вложений на первоначальное оборудование, большие расходы на капитал и повышение потерь). Поэтому за границей, а за последнее время и у нас, распространяются тарифы, имеющие целью: 1) покрыть убытки производящей энергию организации, вызванные низким cosy, и

2) заставить абонентов, преимущественно промышленных (т. к. от них с их многими двигателями зависит преимущественно результирующий С. ф.), принять меры к улучшению cos у. Такие тарифы делают надбавки на основную цену за электрич. энергию, потребленную при cosy ниже нормального (за нормальный берут cosy=0,8), и скидки за электрическую энергию, отпущенную при cos у, большем нормального. При этом исходят из среднего cos у за

расчетный период, определяемого notgy=-^—

а где А_г— реактивная составляющая энергии, учитываемая например синусным счетчиком, и А_а—· активная составляющая, измеряемая нормальным счетчиком. В· ХащиискиВ.

Технические средства для улучшения cos у имеют назначение либо устранить самые причины, которые могли бы вызвать большой С. ф., либо уменьшить уже возникший почему-либо большой С. ф., компенсируя запаздывающий реактивный ток посредством искусственно созданного опережающего тока. Устройства для компенсации С. ф. могут быть установлены на центральной станции или в надлежащим обра-8ом выбранных пунктах сети; более желательна компенсация С. ф. в самом месте их возникновения или возможно ближе к нему (групповая или индивидуальная компенсация), чтобы разгрузить провода сети от излишних реактивных токов. Важнейшие средства для улучшения cosy следующие.

1) Правильный подбор асинхронных двигателей и трансформаторов. В качестве главной причины плохого cosy в установках является приключение к сети плохо нагруженных асинхронных двигателей и трансформаторов. Асинхронные двигатели (смотрите Индукционные машины) нормально имеют максимальный cosy при нагрузке, близкой к полной; при неполных же нагрузках cosy получается значительно меньшим. Таким обр. в случае двигателей, выбранных с большим запасом, они работают всегда с неполной нагрузкой и следовательно с ухудшенным cosy. Отсюда первая мера, направленная к улучшению cosy в установке, должна заключаться в правильном подборе мощности двигателей соответственно действительной нагрузке их без излишнего запаса. С точки зрения лучшего cosy являются предпочтительными двигатели более быстроходные. При одинаковой мощности они имеют меньшие геометрические размеры и следовательно меньший объём междужелезного пространства, чем тихоходные двигатели. Двигатели большей мощности имеют меньшую величину намагничивающего тока на единицу мощности двигателя при полной нагрузке, чем двигатели меньшей мощности. Указанное обстоятельство объясняется тем, что мощность двигателя при одном и том же числе оборотов растет быстрее, чем его геометрические размеры. В силу этого с точки зрения лучшего cosy выгоднее оборудовать какую-нибудь мастерскую одним двигателем большей мощности (путем например группового привода), чем рядом мелких двигателей на ту же суммарную мощность. Так как асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором выполняются с меньшим ме-ждужелезным пространством, чем двигатели с контактными кольцами, благодаря чему объём междужелезного пространства, а следовательно и намагничивающий ток у первых двигателей получаются меньшими, то для улучшения cosy установок можно рекомендовать более широкое применение короткозамкнутых двигателей. В случаях, когда нагрузка асинхронного двигателя в разные часы его работы яв-. ляется различной (в значительных пределах), иногда является выгодным предвидеть возможность переключения статорной обмотки двигателя (трехфазного) со звезды на тр-к с тем расчетом, чтобы двигатель при полной нагрузке работал при соединении обмотки тр-ком, то есть при полном напряжении сети на зажимах каждой фазы статорной обмотки. Тогда при понижении нагрузки до ¹/₀ нормальной или до величины еще более низкой выгодно переключить обмотку на соединение звездой: в этом случае каждая фаза обмотки будет работать при напряжении в Уз меньшем, чем нормальное напряжение сети, и следовательно величина намагничивающего тока и магнитная индукция в двигателе, и в частности в междужелезном пространстве, будут соответственно меньшими,

чем при соединении обмоток тр-ком, — все это повлечет за собой улучшение cosy установки. Такое переключение обмоток асинхронного двигателя с тр-ка на звезду при малых нагрузках вызывает изменение величины вращающего момента двигателя примерно раза в три, но для малых нагрузок такое уменьшение величины вращающего момента двигателя существенного значения но имеет.

В асинхронных двигателях с контактными кольцами возможно иногда бывает другое переключение при малых нагрузках, имеющее также целью улучшение cos у двигателя. В этих случаях двигатель должен иметь обмотку ротора, рассчитанную на более высокое напряжение, чем обмотка статора (возможно лишь при относительно невысоких напряжениях переменного тока, подводимого к двигателю). Переключение для улучшения cosy в таких двигателях состоит в том, что при малых нагрузках питание двигателя совершается не со стороны статора, а со стороны ротора, и в цепь статора, играющего в этом случае роль вторичной обмотки, вводится при пуске пусковой реостат. Увеличенное сопротивление обмотки ротора при таком переключении уменьшает намагничивающий ток и индукцию в двигателе, благодаря чему уменьшается и С. ф. двигателя. Другим способом получения лучшего cosy в асинхронных двигателях является применение вместо катушечных фазных обмоток двуслойных обмоток постоянного тока, обыкновенных или разрезных. Обмотки постоянного тока дают значительно меньшее рассеяние, благодаря чему уменьшается реактивная мощность, потребляемая двигателем, и улучшается его cos у. Повышение величины cosy двигателей с обмоткой постоянного тока против двигателей той же мощности, но с фазной обмоткой, может составить при полной нагрузке до 9% и при половинной нагрузке до 11%. Дальнейшие способы улучшения cosy в электрич. установках путем улучшения этого коэф-та у самих асинхронных двигателей сводятся к переводу асинхронных двигателей после разгона на работу в качестве синхронных двигателей путем включения постоянного тока (тока возбуждения) в обмотку ротора асинхронного двигателя или путем каскадного включения асинхронных двигателей с трехфазными коллекторными двигателями, од-иоякорными преобразователями или специальными фазными компенсаторами.

Другой причиной плохого cosy в электрич. сетях и установках являются недостаточно нагруженные трансформаторы, приключенные к сети. Намагничивающий ток у трансформаторов определяется, с одной стороны, величиной, необходимой для создания главного магнитного потока, а, с другой стороны, — потоками рассеяния. Для уменьшения реактивной мощности трансформаторов рекомендуется стремиться к возможно большей плотности контактов в стыковых соединениях сердечников трансформаторов. Реактивная мощность, потребляемая обычными трансформаторами, составляет при холостом ходе 5—16% и при номинальной нагрузке

10—20% от их номинальной мощности, причем и здесь низшие цифры относятся к трансформаторам больших мощностей и более высокие — к трансформаторам малых размеров. В отличие от асинхронных двигателей трансформаторы являются лишь промежуточным звеном между потребителем электрич. энергии и источником тока. Тот С. ф., к-рый вызывает трансформатор со своей нагрузкой у источника тока, в конечном счете определяется нагрузкой вторичной сети трансформатора. Трансформатор этот С. ф. передает источнику тока, лишь отчасти влияя на общую величину этого сдвига. В целях улучшения cos у сети и установки необходимо заботиться о том, чтобы мощности трансформаторов, приключаемых к сети, возможно ближе отвечали той действительной средней нагрузке, с которой работает трансформатор. На, трансформаторных подстанциях с сильно меняющейся в разные часы суток нагрузкой иногда бывает выгодно для улучшения cosy и уменьшения потерь устанавливать вместо одного два трансформатора с автоматич. отключением одного из трансформаторов при малых нагрузках и приключением его при увеличении нагрузки.

2) Компенсация С. ф. в линиях передачи и электрических сетях. Провода и кабели, служащие для передачи электрической энергии, обладают самоиндукцией и емкостью и при известных условиях могут оказывать заметное влияние на сдвиг фаз передаваемой по ним электрической энергии. В зависимости от того, преобладает ли в них действие самоиндукции или емкости, получается под их влиянием увеличение или уменьшение общего сдвига фаз приключенной к ним нагрузки. В обычных воздушных распределительных сетях влияние самоиндукции и емкости проводов настолько незначительно, что им можно пренебречь. Только при длинных линиях электропередач с большими силами тока и высоким напряжением приходится принимать во внимание действие их самоиндукции и емкости. Линия передачи оказывает на общий С. ф. по преимуществу индуктивное, ухудшающее С. ф. действие при значительных силах тока и относительно меньшем напряжении, и, наоборот, линия уменьшает общий (индуктивный) С. ф. передаваемой энергии и оказывает емкостное действие при малых силах тока и более высоком напряжении. Действие линии м. б. то индуктивным то емкостным в зависимости от нагрузки. При расчетах и устройстве высоковольтных линий передачи необходимо в каждом случае обследовать вопрос о пределах изменения величины добавочного С. φ. φ₁ — у₂, обусловливаемого самой линией передачи не только при средней (нормальной) нагрузке, но и при крайних величинах (максимальной и минимальной), которые могут получиться в действительном ре?киме работы линии. При больших колебаниях величины cosy на станции или подстанции иногда для удержания его в желательных пределах приходится прибегать к установке как на подстанциях, так и на станции синхронных конденсаторов. Устанавливаемые на подстанциях, они преследуют в этих случаях также цель регулирования и поддержания напряжения в сети на определенной высоте. Пределы желательного регулирования cosy на подстанциях и на станции обыкновенно устанавливаются по условиям экономической выгодности путем сравнительного расчета нескольких вариантов.

3) Синхронные конденсаторы, или синхронные компенсаторы, представляют собой перевозбужденные синхронные двигатели (смотрите), которые могут работать как вхолостую, без активной нагрузки на их валу, так и совершая одновременно механич. работу в качестве двигателя. Последний случай является более выгодным с точки зрения использо вания мощности двигателя, но в силу нек-рых отрицательных свойств синхронных двигателей (трудный пуск в ход, отсутствие возможности регулирования числа оборотов) не всегда возможно бывает применить синхронные конденсаторы одновременно и для механич. нагрузки. Довольно обычно использование в качестве синхронных конденсаторов старых неработающих синхронных генераторов. При использовании синхронных конденсаторов для целей улучшения cosy приходится считаться с тем, что на вращение их вхолостую без активной нагрузки затрачивается некоторое количество электрич. энергии, которая должна рассматриваться как потеря и должен быть учтена при подсчетах выгодности применения синхронных конденсаторов для улучшения cosy. С точки зрения расположения синхронные конденсаторы выгодно устанавливать в центре реактивной нагрузки на подстанциях или даже непосредственно у потребителей этих реактивных токов. Выгода здесь заключается в освобождении от реактивных токов не только станции, но и линии передачи или сети; между тем как при установке конденсатора на станции улучшается в этом отношении работа только станционных генераторов, линия же и сеть попрежнему остаются перегруженными реактивными токами. Вопрос о том, где следует ставить конденсатор, а также, выгодно ли вообще его ставить и не следует ли вместо установки конденсаторов просто подобрать на станции генераторы на худший cosy, а при недостатке мощности установить новую машину, необходимо решать параллельными расчетами как стоимости установок, так и эксплуатонных расходов при разных вариантах. Такими же расчетами разрешается вопрос о том наивыгоднейшем пределе, до которого следует улучшать cosy; при этом можно заранее сказать, что улучшение cosy до единицы в обычных условиях является менее выгодным (а иногда и совсем невыгодным), чем улучшение до 0,9—0,95. Экономия, которая получается при улучшении cos у от 0,9—0,95 до 1, не окупает увеличившихся при этом расходов. В силу изложенного обычно ограничиваются улучшением cos у до 0,9—0,95.

4) Статические конденсаторы могут быть употребляемы для улучшения cosy вместо вращающихся синхронных. При высоких напряжениях статич. конденсаторы можно приключать к сети через промежуточные трансформаторы. Как и во вращающихся конденсаторах, в статич. конденсаторах и их трансформаторах приходится считаться с потерями (правда, меньшими, чем в первых). В силу того что емкостная реактивная мощность при одной и той же емкости установки возрастает пропорционально квадрату напряжения, статич. конденсаторы являются более выгодными при высоких напряжениях, при низких же напряжениях они слишком дороги; с другой стороны, статич. конденсаторы на высокое напряжение являются недостаточно надежными в работе, что в настоящее время ограничивает возможность их удешевления за счет повышения напряжения. Преимущества статич. конденсаторов: 1) лучший кпд по сравнению с синхронными, 2) отсутствие вращающихся частей и 3) отсутствие необходимости в постоянном обслуживающем персонале. К недостаткам их надо причислить:

1) несколько ббльшую стоимость, 2) значительный объём и 3) отсутствие возможности легко регулировать cos у в установке при различных 1 нагрузках, как это делается при синхронных конденсаторах. В соответствии с преимуществами и недостатками синхронных конденсаторов надо считать, что чем выше стоимость элек-трич. энергии и чем больше использование конденсаторов, тем относительно выгодны будут в эксгшоатации статич. конденсаторы. Наоборот, при более дешевой электрич. энергии и меньшем коэф-те использования относительно выгоднее синхронные конденсаторы.

5) Применениесинхронных, синхронно-асинхронных и компенсированных асинхронных двигателе й. Средством для улучшения cosy в электрич. установках служит применение вместо обычных асинхронных двигателей двигателей, у которых cosy равен или близок к единице. В качестве таких двигателей находят применение нормальные синхронные двигатели, у которых cosy легко м. б. отрегулирован на единицу и даже сделан опережающим. Главным препятствием для более широкого применения синхронных двигателей служат сложный пуск в ход и полная невозможность регулирования их числа оборотов. Т. о. в первую очередь синхронные двигатели могут найти применение в тех случаях, где не требуется регулирования скорости и особенно большого пускового момента. Стоимость синхронных двигателей при небольших мощностях несколько выше асинхронных, но при больших мощностях мало от них отличается. Большее междужелезное пространство, кпд такой же и даже несколько лучший, чем у асинхронных двигателей, и возможность легкого регулирования cos у синхронных двигателей являются их преимуществами. Большое значение, придаваемое в настоящее время вопросам улучшения cos у в электрических установках, повело к тому, что за последние годы области применения синхронных двигателей все более и более расширяются.

Вполне аналогичными по своим свойствам в отношении cos у являются синхронно-асинхронные, или синхронизированные асинхронные, двигатели. Преимущества таких двигателей по сравнению с синхронными заключаются в легком пуске в ход с хорошим вращающим моментом и большой допустимой перегрузке; недостатком их является плохое использование обмоток ротора вследствие неравномерного распределения тока возбуждения (постоянного) между обмотками отдельных фаз, а вследствие этого понижение мощности двигателя по сравнению с мощностью, развиваемой им при работе асинхронным двигателем. Другим недостатком синхронизированных асинхронных двигателей является по необходимости пониженное напряжение цепи возбуждения постоянного тока. Это напряжение поднять не представляется возможным, так как при разгоне двигателя в роторе двигателя получались бы слишком высокие напряжения, вызывающие необходимость усиления изоляции и удорожания обмотки ротора. Синхронизированные асинхронные двигатели так же, как и нормальные синхронные двигатели, могут быть использованы в качестве синхронных конденсаторов. Необходимость иметь особый возбудитель низкого напряжения усложняет и удорожает конструкцию синхронно-асинхронных двигателей, особенно при малых мощностях. В силу этого были предложены новые типы синхронизированных асинхронных двигателей, в которых необходимый постоянный ток для возбуждения вырабатывается в самом же двигателе при помощи дополнительной обмотки с коллектором, расположенной на роторе двигателя. Такие двигатели строят обычно для небольших мощностей (3—20 IP).

Кроме двигателей, построенных на принципе компенсации С. ф. постоянным током, целым рядом з-дов изготовляются компенсированные асинхронные двигатели при компенсации в них С. ф. переменным током. Такие двигатели (Ос-носа, Гейланда и др.) были предложены около 30 лет тому назад, но первоначально не нашли себе широкого применения, т. к., с одной стороны, они дороже нормальных асинхронных двигателей и, с другой стороны, вопросы улучшения cosy в электрич. установках в то время не имели такого острого значения, какое имеют теперь. В настоящее время эти двигатели изготовляются рядом з-дов и начинают находить себе большое распространение. Стоимость компенсированных асинхронных двигателей получается на 20—40% выше стоимости нормальных асинхронных двигателей; кпд несмотря на лучший cosy благодаря дополнительным обмоткам и коллектору оказывается приблизительно одинаковым с нормальными двигателями, а в некоторых случаях и несколько более низким при полной нагрузке. В силу этого компенсированные двигатели могут найти себе рациональное применение для улучшения cosy установок лишь в нек-рых случаях.

6) Многофазные коллекторные двигатели переменного’ток a.cos у многофазных коллекторных, в частности трехфазных, двигателей может регулироваться и быть установленным на единицу и даже сделан опережающим. Эти двигатели м. б. применяемы для улучшения cosy установок, что и имеет место, но в силу очень большой стоимости таких двигателей по сравнению с обычными асинхронными применение многофазных коллекторных двигателей целесообразно лишь в тех случаях, когда это оказывается необходимым в силу других свойств коллекторных двигателей (смотрите Коллекторные машины), а именно возможности у них экономичной регулировки скорости.

7) Каскадные соединения асинхронных двигателей. При больших мощностях вместо применения компенсированных двигателей на практике обычно переходят к каскадным соединениям нормальных асинхронных двигателей с вспомогательными машинами, которые вырабатывают необходимый для намагничивания асинхронных двигателей реактивный ток. В качестве таких вспомогательных машин могут применяться трехфазные коллекторные двигатели и одноякорные преобразователи (смотрите): каскады Кремера, Шербиуса и др. Эти каскадные соединения дают возможность одновременно производить экономич. регулировку числа оборотов асинхронных двигателей. В силу сложности и относительно большой стоимости (в виду большого числа вспомогательных машин) такого способа улучшения cosy асинхронных двигателей каскадные соединения с коллекторными двигателями применяются лишь в случаях, когда одновременно требуется получить экономич. регулирование числа оборотов двигателя. Когда не требуется регулировки скорости двигателя, а желательно лишь получить улучшение его cosy, применяются каскадные соединения асинхронных двигателей с фазными компенсаторами, из которых различают два главных типа: 1) качающиеся, или вибраторы (смотрите Вибратор Каппа),

и 2) вращающиеся. В случаях, когда имеет существенное значение компенсация С. ф. (именно при холостом ходе и малых нагрузках), применяются вращающиеся компенсаторы с возбуждением из сети. В этом случае компенсатор работает как преобразователь. Поэтому компенсатор должен иметь такое число оборотов, при к-ром число периодов на щетках равнялось бы числу периодов тока в роторе асинхронного двигателя. Из этих соображений якорь компенсатора соединяют жесткой передачей с валом ротора асинхронного двигателя при соответствующем подборе числа полюсов обеих машин. При такой схеме, так как поле компенсатора не зависит уже от величины тока в роторе асинхронного двигателя, компенсатор создает в роторе двигателя при всякой нагрузке одинаковую реактивную опережающую составляющую тока. Поэтому если отрегулировать компенсатор таким образом, чтобы он компенсировал cos^ в двигателе при полной нагрузке на единицу, то при меньшей нагрузке мы получим в двигателе опережающий ток, при перегрузке запаздывающий. Сравнивая между собой качающиеся и вращающиеся фазные компенсаторы, необходимо отметить, что первые из них (вибраторы) имеют следующие преимущества по сравнению со вторыми: 1) вибраторы не требуют для своего привода специального двигателя; 2) обладают легкой и удобной регулировкой возбуждением; 3) имеют более энергичное действие при малых нагрузках, так как в этих случаях частота тока, получаемая из ротора асинхронного двигателя, меньше, достигается большая скорость вращения в каждую сторону, следовательно и большая эдс. Наоборот, при больших нагрузках возможны выпадания вибратора из фазы, а при больших мощностях получаются и конструктивные затруднения. К недостаткам же их относится и необходимость постоянного тока для возбуждения. Получение намагничивающего тока со стороны ротора несколько увеличивает нагрузку током последнего, но зато разгружает от реактивного тока статор. Поэтому при некотором запасе в роторе мощность компенсированных двигателей м. б. поднята на 20—30% против мощности тех же двигателей без компенсаторов. Т. к. условия охлаждения вращающегося ротора обычно бывают лучше, чем статора, то нек-рое увеличение мощности асинхронного двигателя при компенсации обычно бывает возможно. Кроме этого обстоятельства можно указать еще на следующие явления, которые сопровождают компенсирование асинхронных двигателей. Максимальный вращающий момент двигателя при компенсации увеличивается в 1,5—2 раза, что особенно важно при двигателях, рассчитываемых на временную работу при перегрузке. Увеличивается скольжение асинхронных двигателей при компенсации с помощью вращающихся компенсаторов на 10—20% первоначальной величины скольжения и при качающихся до 50% от первоначальной величины. Наконец кпд установки с компенсатором ухудшается примерно на 1% против первоначальной величины без компенсатора. Цена компенсаторов довольно высока: но англ, данным ок. £ 8,5 за 1 kVA (компенсатор мощностью в 30 kVA стоит ок. £ 250). Но если отнести стоимость компенсационного устройства к мощности всей моторной установки, то на 1 kVA моторной мощности придется всего около & 0,5. При двигателях мощностью меньше 100ίΡ ком пенсационные устройства вряд ли были бы рентабельны. С. Курбатов·

Лит.: КурбатовС., Сдвиг фаз в Электр, установках, М., 1925; Мейер Г., Коэф. мощности электростанций и способы его улучшения, перевод с немецкого, М.— Л., 1931; Апаров Б., Современное состояние вопроса компенсации cos φ асинхронных двигателей, «Электричество», М.—Л., 1925, 3, стр. 159; Г о л о в В. и Ф р и д-бергГ.,0 тарифных мероприятиях электротока по улучшению cos φ промышленных абонентов, там же, 1928, 9—10 («Известия электротока», 9, стр. 86); Н а х м а н-сон Е., Выбор мощности и расположения синхронных компенсаторов па подстанциях электротока, там же, 1929, 1?—18 («Известия электротока», 9, стр. 169); ПоповВ., Влияние коэф. мощности на стоимость электрической энергии, там же, М.—Л., 1923, 9, стр. 407; его же, Средства для улучшения коэф-та мощности сети, там же, 1923, 9, стр. 413; Прессе., Компенсатор сдвига фаз, там же, 1923, 9, стр. 416; Савельев П., Синхронный компенсатор сдвига фаз на одном из промышленных предприятий г. Москвы и результаты его испытания, там же, 1928, 1—2, стр. 11; Серебрянников М., К вопросу о введении косинусного тарифа для промышленных абонентов МОГЭСа, там же, 1929, 21—22, стр. 569; Electric Machinery Manufacturing Company, The Power-Factors Book, Facts a. Explanations for Executive Engineers a. Operators, Minneapolis, 1926; Fulir-m a η n W., Der Leistungs-Faktor in Wechselstromanlagen, Lpz., 1925; N i s s о 1 H., Einfluss d. cos φ auf die Tarifgc-stalltung d. Elektrizithtswerke unter besonderer Beriicksich-tigung grosstbdtischer Verhbltnisse, Berlin, 1928; Sell a-rowskj G., Der Leistungs-Faktor, B., 1930; S c h 6 n-b e r g A. u. Clunk E., Landes-Elektrizitatswerke, Mch.—B., 1926; Underhill Ch., Power-Factor Wastes, N. Y., 1926; QuenstedtE., Grundlagende Ueberlcgun-gen f. die Einfuhrung von Blindstromtarifen u. Hochlinien f. ihre Vereinheitlichung, «ΕΤΖ», B., 1927, p. 100; Eol-1 a n U R., Einflus dcs Leistungs-Faktors auf die Tarifbil-dungvonElektrizitatswerken, ibid., B., 1926, p. 733; S m o-linskyH., Ueber die Verbesserungsmoglichkeit des Leistungs-Faktors (cos φ) u. seine tarifliche Erfassung bei den Elektrlzitatswerken, «Elektro-Journal», В., 1928, p. 22; W i 1 kens К., Die Bedeutungd. Blindlast f. Stromabnelnner u. Elektrizitatswerk, «ΕΤΖ», B., 1926, p. 733. В. Хащинский.