Реактивная мощность это кратко и понятно

Содержание

Наиболее известная формула для реактивной мощности действительна только для однофазных цепей с синусоидальной формой напряжения и тока:

Интерпретация этой мощности в таких системах заключается в следующем: это амплитуда переменной составляющей мгновенной мощности на зажимах источника. Существование некоторого ненулевого значения этой мощности свидетельствует о двухстороннем и колеблющемся потоке энергии между источником и приемником. Представим себе однофазную систему с синусоидальным источником напряжения, нагрузкой которого является RC-цепь. Так как в таких условиях эти элементы ведут себя линейно, протекание тока источника будет иметь синусоидальный характер, но из-за свойств конденсатора, ток смещается относительно напряжения источника. В этой схеме реактивная мощность Q отлична от нуля и может быть интерпретирована как амплитуда колебаний энергии, которая попеременно накапливается в конденсаторе и отдается источнику. Активная мощность конденсатора равна нулю.

Но, как выясняется, явление колебания энергии только кажется эффектом, да и то происходящим в особых случаях цепей с синусоидальной формой токов и напряжений, а не причина появления реактивной мощности. Проведенные в этой области исследования, показывают, что реактивная мощность появляется также и в схемах, в которых не возникает никаких колебаний энергии. Это утверждение, которое может удивить многих инженеров. В новых публикациях, касающихся теории мощности, единственным физическим явлением, которое всегда сопровождается наличием реактивной мощности, является сдвиг фаз между током и напряжением.

Указанная выше формула для расчета реактивной мощности является правильной только для синусоидальных однофазных цепей. Возникает вопрос: как рассчитывается реактивная мощность в несинусоидальных системах. Оказывается, что определение реактивной мощности в реальных системах (а не только в идеализированных), является предметом споров и в настоящее время (в 2009 году) не существует единого и общепризнанного определения реактивной мощности в системах с несинусоидальной формой напряжения и тока, даже не говоря уже здесь о неустойчивых трехфазных цепях. В стандарте IEEE (Международной ассоциации инженеров по электротехнике и электронике) 1459-2000 (с 2000 года) для несинусоидальной трехфазной цепи мы не найдем формулы для полной реактивной мощности — как три основные мощности перечислены: активная мощность, полная и, внимание, неактивная, обозначенная буквой N. Реактивную мощность ограничили только для основной гармоники тока и напряжения и обозначили Q1. Упомянутый стандарт является последним документом такого рода, выпущенным признанной организацией, который должен был упорядочить тематику, касающуюся определения мощности. Это было тем более необходимо, что в научной среде уже много лет раздавались голоса, что используемые до сих пор определения могут давать ошибочные результаты. Споры касались, прежде всего, определения реактивной мощности и полной (а также мощности искажений, о чем позже) в одно- и трехфазных цепях с несинусоидальной формой напряжения и тока.

Активная, реактивная и полная мощность. Что это такое, на примере наглядной аналогии.

Одной из теорий определения реактивной мощности является теория Budeanu. Это определение было впервые представлено профессором Budeanu в 1927 году, и имеет следующий вид:

Реактивная мощность по теории Budeanu

где Un и In являются высшими гармониками напряжения и тока порядка n, а φn углами между этими компонентами.

Так как введение этой величины означало, что известное уравнения треугольника мощности не выполняется для цепей с несинусоидальной формами сигналов, Budeanu ввел новую величину, называемую мощностью искажений:

Мощность искажений

Мощность искажения должна была представлять в системе мощность, возникающую вследствие искажений формы напряжения и тока. Реактивная мощность была течение многих лет связана с колебаниями энергии между источником и нагрузкой. Как видно из формулы, реактивная мощность по определению Budeanu, является суммой отдельных гармоник реактивной мощности. Из-за фактора sinφ эти компоненты могут быть положительным или отрицательным в зависимости от угла между напряжением и током гармоники. Таким образом, возможна ситуация, когда общая реактивная мощность QB будет равна нулю при ненулевых компонентах гармоник. Наблюдение, что при ненулевых составляющих суммарная реактивная мощность по этому определению может быть равна нулю, является ключом для более глубокого анализа, который в конечном счете, позволил доказать, что величина QB может давать в некоторых ситуациях совершенно неожиданные результаты. Проведенные исследования ставят под сомнение широко распространенное убеждение, что есть какая-то связь между колебаниями энергии и реактивной мощностью Budeanu QB. Можно привести примеры цепей, в которых, несмотря на существование колебательного характера мгновенной мощности, реактивная мощность по определению Budeanu равна нулю. На протяжении многих лет ученые не могли связать с реактивной мощностью в соответствии с этим определением, никакого физического явления.

Перечисленные выше сомнения, в правильности этого определения мощности, конечно, бросают тень, на связанную с ней мощность искажения QB. Начали искать ответ на вопрос, будет ли мощность искажения DB на самом деле являться мерой искажений процессов в несинусоидальных цепях. Искажением мы называем ситуацию, когда форму сигнала напряжения не удается «наложить» на форму протекающего тока с помощью двух операций: изменение амплитуды и сдвиг по времени. Другими словами, если выполнены следующие условия:

то напряжение не искажено по отношению к току. В случае синусоидального напряжения и нагрузки, являющейся любой комбинацией элементов RLC, это условие всегда выполняется (для синусоидального процесса эти элементы сохраняют линейность). Однако, когда форма напряжения уже искажена, нагрузка RLC не обеспечивает неискаженного тока, относительно напряжения и уже не является линейной нагрузкой — необходимо выполнение некоторых дополнительных условий (соответственно с частотой меняются модуль и фаза импеданса нагрузки).

И поэтому, действительно ли мощность DB является мерой искажений. К сожалению, в данном случае также оказалось, что теория мощности по Budeanu разочаровывает. Было доказано, что мощность искажения может быть равна нулю в ситуации, когда напряжение искажено относительно протекающего тока, и наоборот, мощность искажения может быть ненулевой при полном отсутствии искажений.

Практический аспект теории мощности, касающийся повышения коэффициента мощности цепей с реактивной мощностью, должен быть тем фактором, который больше всего выиграет от правильного определения реактивной мощности. Попытки компенсации, на основе реактивной мощности Budeanu и связанной с ней мощностью искажений не удались. Эти величины не позволяют даже правильно рассчитать компенсирующую емкость, дающую максимальный коэффициент мощности. Доходило даже до того, что такие попытки заканчивались дополнительным ухудшением этого показателя.

Тем не менее, медленные изменения в сознании инженеров-электриков стали видны. С течением лет, все чаще возникали нелинейные нагрузки и процессы с очень большими искажениями, невозможно было дальше терпеть ограничения в применяемых формулах.

Очень значимым событием стала публикация в 2000 году организацией IEEE стандарта 1459, название которого звучит так: «Определения для измерений величин, связанных с электрической мощностью в синусоидальных, несинусоидальных, симметричных и несимметричных условиях». Впервые реактивная мощность по определению Budeanu оказалась в группе рекомендуемых определений, которые не должны использоваться в новых счетчиках мощности и реактивной энергии. Также видно было разделение многих величин на те, что связаны с основной составляющей тока и напряжения (первая гармоника) и другими высшими гармониками. В большинстве случаев считается, что полезная часть энергии передается только с помощью составляющих 50/60 Гц, при гораздо меньшем и часто вредном участии высших гармоник.

В стандарте также появилась новая величина — неактивная мощность N, которая представляет все неактивные компоненты мощности:

Неактивная мощность

Реактивная мощность является одной из составляющих неактивной мощности N. В однофазных цепях с синусоидальным напряжением и током, N равно Q, поэтому в неактивной мощности нет других составляющих. В трехфазных цепях такое свойство имеют только симметричные синусоидальные сети со сбалансированной чисто резистивной нагрузкой.

Следующие составляющие неактивной мощности связаны с конкретными физическими явлениями. По теории профессора Czarneckiego, одному из лучших объяснений физических явлений в трехфазных цепях, уравнение мощности в таких системах можно записать следующим образом:

S 2 = P 2 + DS 2 + Q 2 + DU 2

DS — это мощность рассеяния, которая появляется в системе, в результате изменения активной проводимости нагрузки вместе с изменением частоты. Таким образом, наличие в нагрузке реактивных элементов может привести к появлением мощности рассеяния.

Реактивная мощность Q в этом уравнении появляется при наличии фазового сдвига между гармониками напряжения и тока.

DU — обозначает мощность дисбаланса, которая является мерой несбалансированной трехфазной нагрузки. Эта составляющая объясняет ситуацию, при которой несбалансированная трехфазная нагрузка с чисто резистивным характером, приводит к коэффициенту мощности меньше единицы. Такой потребитель не имеет реактивной мощности Q и, несмотря на это, из треугольника мощности S, P, Q следует что-то совсем другое (теория мощности Budeanu со своей мощностью искажений также не может объяснить эту ситуацию — для чисто резистивной нагрузки мощность искажения DB равна нулю).

Попытка соединения IEEE 1459-2000 с теорией мощности Czarneckiego приводит к выводу, что неактивная мощность скрывает в себе по крайней мере три отдельных физических явления, которые влияют на снижение эффективности передачи энергии от источника к приемнику, то есть уменьшение коэффициента мощности:

Коэффициент мощности

В стандарте IEEE 1459-2000 известная под буквой Q — реактивная мощность была ограничена основной гармоникой и это касается как однофазных систем, так и трехфазных.

В однофазных цепях: Q1 = U1∙I1∙sinφ1

В трехфазных системах учитываются только последовательно составляющие этой мощности:Q1 + = 3U1 + ∙I1 + ∙sinφ1 +

Для правильного измерения этой мощности требуется соответствующая последовательность чередования фаз (задержка фазы L2 на 120° по отношению к L1, задержка фазы L3 на 240° по отношению к L1).

Концепция последовательных составляющих будет более подробно рассмотрена при обсуждении асимметрии.

Значение основной составляющей реактивной мощности является основной величиной, которая позволяет оценить величину конденсатора корректирующего коэффициент DPF или сдвиг основной гармоники напряжения относительно этой же составляющей тока (то есть компенсатора реактивной мощности основной гармоники).

Видео описание

Простыми словами о реактивной мощности.

В сетях переменного тока, которыми на сегодняшний день пользуется абсолютно весь мир, без активной и реактивной мощностей никак не обойтись – они взаимозависимы и даже необходимы. К активной электроэнергии относится напряжение, которое вырабатывается на ТЭС, ГрЭС, АЭС, мобильном генераторе, стоящем в гараже и т.д. – оно поступает к потребителю (на фабрики, заводы, к нам домой) и питает все электроприборы от сети ≈220-380 V. В это же время функция реактивной составляющей полного тока заключается в бесцельном блуждании от источника к потребителю и обратно. Так откуда же берётся эта, бесполезная на первый взгляд, субстанция?

Сравнение мощностей с кружкой пива

Все дело в том, что в наших домах, на предприятиях и любых других электрифицированных объектах есть приборы с индуктивными катушками (для примера можно взять статор двигателя), где постоянно возникают магнитные поля. То есть, часть из них вращает ротор (якорь), а часть возвращается обратно и так до бесконечности, пока существует движение активной энергии. Это хорошо демонстрирует кружка свежего пива: с жидкостью человек выпивает лишь малую часть пены, а остальную оставляет в бокале либо сдувает на землю. Но эта самая пена является продуктом брожения (индукции), без которого пива, как такового, не будет вообще.

Сейчас уже можно подвести первый итог в понимании темы: если есть индуктивная нагрузка (а она есть всегда), то обязательно появится реактивный ток, потребляемый индукцией, которая сама его создает. То есть, индукция вырабатывает реактивную мощность, потом её потребляет, вырабатывает заново и так постоянно, но в этом кроется одна проблема. Для движения реактивной субстанции туда обратно, нужна активная энергия, которая расходуется из-за постоянного движения электронов по проводам (нагрев проводов).

Можно прийти к выводу, что активная мощность генератора, это полное противопоставление реактивной, на первый взгляд бесполезной мощности? Но это не так. Вспомните, сестры неразлучны между собой, так как любят друг друга, а пиво без пены никто не станет пить, да и забродить без неё напиток будет не в состоянии. То же можно сказать о реактивной мощности – без неё невозможно создание магнитных полей, так что с этой силой придется считаться. Но тут в дело пошли мозговые извилины изобретателей, которые решили сократить территориальное пространство (не гонять по проводам взад-вперед) этой, не совсем понятной, субстанции и вырабатывать её в непосредственной близости от объекта потребления.

Конденсаторы разного типа

Для наглядного примера можно взять всем известный электрический фен, в котором есть двигатель, вращающий вал с лопастями – он называется турбиной для подачи горячего воздуха. Так вот, чтобы разгрузить линию электропередач от бесполезной беготни реактива от станции к потребителю и обратно, в корпус прибора встраивают конденсатор нужной емкости. А представьте себе ту же электросварку или токарный цех с десятками мощных станков, – какой потенциал высвобождается реактивным током для увеличения КПД. Если говорить техническим языком, то установка конденсаторов или других статических компенсирующих элементов называется компенсацией реактивной мощности. Получается, что активная и реактивная мощность, это две неразрывно связанных между собой величины.

Вырабатывать реактивную мощность могут также и генераторы на электростанциях любого типа. Для этого достаточно сменить ток возбуждения (перевозбуждения, недовозбуждения) и генератор окажется как поставщиком, так и потребителем этой величины. Но, это всего лишь законы физики, которые в данном случае не очень выгодны для людей, поэтому лучше всего переносить емкость накопления и отдачи, как можно ближе к источнику – в корпус прибора (агрегата) или в производственный цех.

Видео описание

Реактивная мощность за 5 минут простыми словами.

Треугольник мощностей

Единица измерений активной мощности записывается, как P (Вт), реактивная, как Q (Вар), а полной, как S. Если их сложить вместе, то получим значение S или полную мощность: P+Q=S. Только это упрощенный вариант, а на практике это будет выглядеть, как S= √(P2+Q2) – квадратный корень из суммы квадратов Вт и Вар. Ничего не напоминает? Ну, конечно же, это ведь теорема Пифагора для прямоугольного треугольника, где вычисляется гипотенуза: c= √(a2+b2). Как видите, физико-математические величины всегда остаются неизменными. Получается, что активная и реактивная мощность, находясь в сети и образуя полное число S не так уж и полезна, а вот если её разделить на P и Q, то тут мы и получаем работу разных двигателей, катушек и трансформаторов.

Примечание: на практике активная и реактивная мощности совпадают крайне редко, но это не так важно. Просто обратите внимание, что при расчетах в записях технологи чаще всего используют косинус фи (cos φ) вместо Вар (var). Эта информация для того, чтобы вы не растерялись, столкнувшись с новым определением.

Теперь давайте обобщим то, о чем мы узнали. Если ток не активной, а индуктивной энергии и наоборот, ее нужно компенсировать или собрать при помощи различных конденсаторов, диодных мостов и т.п. Такой подход позволяет увеличить значение cos φ до 0,7-0,9, то есть, осуществить компенсацию реактивной мощности. Безусловно, для каких-либо вычислений нужна не условная единица измерения активной мощности, а конкретные цифры, но этому нельзя обучиться при помощи одной статьи.

2 Реактивная мощность

Наиболее известная формула для реактивной мощности действительна только для однофазных цепей с синусоидальной формой напряжения и тока:

Интерпретация этой мощности в таких системах заключается в следующем: это амплитуда переменной составляющей мгновенной мощности на зажимах источника. Существование некоторого ненулевого значения этой мощности свидетельствует о двухстороннем и колеблющемся потоке энергии между источником и приемником. Представим себе однофазную систему с синусоидальным источником напряжения, нагрузкой которого является RC-цепь. Так как в таких условиях эти элементы ведут себя линейно, протекание тока источника будет иметь синусоидальный характер, но из-за свойств конденсатора, ток смещается относительно напряжения источника. В этой схеме реактивная мощность Q отлична от нуля и может быть интерпретирована как амплитуда колебаний энергии, которая попеременно накапливается в конденсаторе и отдается источнику. Активная мощность конденсатора равна нулю.

Но, как выясняется, явление колебания энергии только кажется эффектом, да и то происходящим в особых случаях цепей с синусоидальной формой токов и напряжений, а не причина появления реактивной мощности. Проведенные в этой области исследования, показывают, что реактивная мощность появляется также и в схемах, в которых не возникает никаких колебаний энергии. Это утверждение, которое может удивить многих инженеров. В новых публикациях, касающихся теории мощности, единственным физическим явлением, которое всегда сопровождается наличием реактивной мощности, является сдвиг фаз между током и напряжением.

Указанная выше формула для расчета реактивной мощности является правильной только для синусоидальных однофазных цепей. Возникает вопрос: как рассчитывается реактивная мощность в несинусоидальных системах. Оказывается, что определение реактивной мощности в реальных системах (а не только в идеализированных), является предметом споров и в настоящее время (в 2009 году) не существует единого и общепризнанного определения реактивной мощности в системах с несинусоидальной формой напряжения и тока, даже не говоря уже здесь о неустойчивых трехфазных цепях. В стандарте IEEE (Международной ассоциации инженеров по электротехнике и электронике) 1459-2000 (с 2000 года) для несинусоидальной трехфазной цепи мы не найдем формулы для полной реактивной мощности — как три основные мощности перечислены: активная мощность, полная и, внимание, неактивная, обозначенная буквой N. Реактивную мощность ограничили только для основной гармоники тока и напряжения и обозначили Q1. Упомянутый стандарт является последним документом такого рода, выпущенным признанной организацией, который должен был упорядочить тематику, касающуюся определения мощности. Это было тем более необходимо, что в научной среде уже много лет раздавались голоса, что используемые до сих пор определения могут давать ошибочные результаты. Споры касались, прежде всего, определения реактивной мощности и полной (а также мощности искажений, о чем позже) в одно- и трехфазных цепях с несинусоидальной формой напряжения и тока.

Одной из теорий определения реактивной мощности является теория Budeanu. Это определение было впервые представлено профессором Budeanu в 1927 году, и имеет следующий вид:

Реактивная мощность по теории Budeanu

где Un и In являются высшими гармониками напряжения и тока порядка n, а φn углами между этими компонентами.

Так как введение этой величины означало, что известное уравнения треугольника мощности не выполняется для цепей с несинусоидальной формами сигналов, Budeanu ввел новую величину, называемую мощностью искажений:

Мощность искажений

Мощность искажения должна была представлять в системе мощность, возникающую вследствие искажений формы напряжения и тока. Реактивная мощность была течение многих лет связана с колебаниями энергии между источником и нагрузкой. Как видно из формулы, реактивная мощность по определению Budeanu, является суммой отдельных гармоник реактивной мощности. Из-за фактора sinφ эти компоненты могут быть положительным или отрицательным в зависимости от угла между напряжением и током гармоники. Таким образом, возможна ситуация, когда общая реактивная мощность QB будет равна нулю при ненулевых компонентах гармоник. Наблюдение, что при ненулевых составляющих суммарная реактивная мощность по этому определению может быть равна нулю, является ключом для более глубокого анализа, который в конечном счете, позволил доказать, что величина QB может давать в некоторых ситуациях совершенно неожиданные результаты. Проведенные исследования ставят под сомнение широко распространенное убеждение, что есть какая-то связь между колебаниями энергии и реактивной мощностью Budeanu QB. Можно привести примеры цепей, в которых, несмотря на существование колебательного характера мгновенной мощности, реактивная мощность по определению Budeanu равна нулю. На протяжении многих лет ученые не могли связать с реактивной мощностью в соответствии с этим определением, никакого физического явления.

Перечисленные выше сомнения, в правильности этого определения мощности, конечно, бросают тень, на связанную с ней мощность искажения QB. Начали искать ответ на вопрос, будет ли мощность искажения DB на самом деле являться мерой искажений процессов в несинусоидальных цепях. Искажением мы называем ситуацию, когда форму сигнала напряжения не удается «наложить» на форму протекающего тока с помощью двух операций: изменение амплитуды и сдвиг по времени. Другими словами, если выполнены следующие условия:

то напряжение не искажено по отношению к току. В случае синусоидального напряжения и нагрузки, являющейся любой комбинацией элементов RLC, это условие всегда выполняется (для синусоидального процесса эти элементы сохраняют линейность). Однако, когда форма напряжения уже искажена, нагрузка RLC не обеспечивает неискаженного тока, относительно напряжения и уже не является линейной нагрузкой — необходимо выполнение некоторых дополнительных условий (соответственно с частотой меняются модуль и фаза импеданса нагрузки).

И поэтому, действительно ли мощность DB является мерой искажений. К сожалению, в данном случае также оказалось, что теория мощности по Budeanu разочаровывает. Было доказано, что мощность искажения может быть равна нулю в ситуации, когда напряжение искажено относительно протекающего тока, и наоборот, мощность искажения может быть ненулевой при полном отсутствии искажений.

Практический аспект теории мощности, касающийся повышения коэффициента мощности цепей с реактивной мощностью, должен быть тем фактором, который больше всего выиграет от правильного определения реактивной мощности. Попытки компенсации, на основе реактивной мощности Budeanu и связанной с ней мощностью искажений не удались. Эти величины не позволяют даже правильно рассчитать компенсирующую емкость, дающую максимальный коэффициент мощности. Доходило даже до того, что такие попытки заканчивались дополнительным ухудшением этого показателя.

Тем не менее, медленные изменения в сознании инженеров-электриков стали видны. С течением лет, все чаще возникали нелинейные нагрузки и процессы с очень большими искажениями, невозможно было дальше терпеть ограничения в применяемых формулах.

Очень значимым событием стала публикация в 2000 году организацией IEEE стандарта 1459, название которого звучит так: «Определения для измерений величин, связанных с электрической мощностью в синусоидальных, несинусоидальных, симметричных и несимметричных условиях». Впервые реактивная мощность по определению Budeanu оказалась в группе рекомендуемых определений, которые не должны использоваться в новых счетчиках мощности и реактивной энергии. Также видно было разделение многих величин на те, что связаны с основной составляющей тока и напряжения (первая гармоника) и другими высшими гармониками. В большинстве случаев считается, что полезная часть энергии передается только с помощью составляющих 50/60 Гц, при гораздо меньшем и часто вредном участии высших гармоник.

В стандарте также появилась новая величина — неактивная мощность N, которая представляет все неактивные компоненты мощности:

Неактивная мощность

Реактивная мощность является одной из составляющих неактивной мощности N. В однофазных цепях с синусоидальным напряжением и током, N равно Q, поэтому в неактивной мощности нет других составляющих. В трехфазных цепях такое свойство имеют только симметричные синусоидальные сети со сбалансированной чисто резистивной нагрузкой.

Следующие составляющие неактивной мощности связаны с конкретными физическими явлениями. По теории профессора Czarneckiego, одному из лучших объяснений физических явлений в трехфазных цепях, уравнение мощности в таких системах можно записать следующим образом:

S 2 = P 2 + DS 2 + Q 2 + DU 2

DS — это мощность рассеяния, которая появляется в системе, в результате изменения активной проводимости нагрузки вместе с изменением частоты. Таким образом, наличие в нагрузке реактивных элементов может привести к появлением мощности рассеяния.

Реактивная мощность Q в этом уравнении появляется при наличии фазового сдвига между гармониками напряжения и тока.

DU — обозначает мощность дисбаланса, которая является мерой несбалансированной трехфазной нагрузки. Эта составляющая объясняет ситуацию, при которой несбалансированная трехфазная нагрузка с чисто резистивным характером, приводит к коэффициенту мощности меньше единицы. Такой потребитель не имеет реактивной мощности Q и, несмотря на это, из треугольника мощности S, P, Q следует что-то совсем другое (теория мощности Budeanu со своей мощностью искажений также не может объяснить эту ситуацию — для чисто резистивной нагрузки мощность искажения DB равна нулю).

Попытка соединения IEEE 1459-2000 с теорией мощности Czarneckiego приводит к выводу, что неактивная мощность скрывает в себе по крайней мере три отдельных физических явления, которые влияют на снижение эффективности передачи энергии от источника к приемнику, то есть уменьшение коэффициента мощности:

Коэффициент мощности

В стандарте IEEE 1459-2000 известная под буквой Q — реактивная мощность была ограничена основной гармоникой и это касается как однофазных систем, так и трехфазных.

В однофазных цепях: Q1 = U1∙I1∙sinφ1

В трехфазных системах учитываются только последовательно составляющие этой мощности:Q1 + = 3U1 + ∙I1 + ∙sinφ1 +

Для правильного измерения этой мощности требуется соответствующая последовательность чередования фаз (задержка фазы L2 на 120° по отношению к L1, задержка фазы L3 на 240° по отношению к L1).

Концепция последовательных составляющих будет более подробно рассмотрена при обсуждении асимметрии.

Значение основной составляющей реактивной мощности является основной величиной, которая позволяет оценить величину конденсатора корректирующего коэффициент DPF или сдвиг основной гармоники напряжения относительно этой же составляющей тока (то есть компенсатора реактивной мощности основной гармоники).

Реактивная мощность — еще раз коротко о главном

Все чаще в различных изданиях и СМИ, в рамках информации о реализации Федерального закона от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» встречается информация о борьбе с реактивной мощностью в сетевых компаниях и на промышленных предприятиях. Что же это за такое зло, что для борьбы с ним сетевыми компаниями тратятся сотни миллионов рублей, разрабатываются специальные долгосрочные целевые программы мероприятий по управлению реактивной мощностью в электрических сетях, ведутся агитации среди крупных потребителей электроэнергии на установку устройств по компенсации реактивной мощности. Так ли она важна и необходима эта компенсация?

Зачастую, многие потребители подсознательно полагают, что генерирующие компании поставляют два типа электрической энергии, так как оплачивают счета за потребленную активную и реактивную мощность, составляющие полной мощности выдаваемой генерирующими подстанциями. Хотя на самом деле понятие реактивной мощности хоть и общепринято и употребляемо, но не совсем корректно, так как физически реактивной мощности (именно в классическом понимании мощности, как отношения работы ко времени) не существует, так как никакой работы она не совершает.

Активная мощность — та часть электрической энергии, которая идет на совершение полезной работы и в процессе потребления преобразуется в другие типы энергии, например тепловую, механическую или световую.

Название реактивная мощность, по аналогии с реактивным сопротивлением, обусловлено способностью индуктивных и емкостных элементов накапливать и отдавать обратно в сеть, запасенную магнитную или электрическую энергию, и проявлять кажущиеся сопротивление только в цепях переменного тока. В то время как активное сопротивление зависит только от конкретного материала проводника.

Согласно общепринятому утверждению, под условным термином «реактивная мощность» понимают вторую составляющую полной мощности в сетях переменного тока, характеризующую интенсивность обмена/циркуляции электрической энергии между источником и подключенной к нему реактивной нагрузки (элементов индуктивности и/или конденсаторов), которая необходима только для расчетов определяющих влияние реактивных элементов на сеть.

Индуктивные (катушки в трансформаторах, дросселях, индукционных печах, двигателях и пр.) и емкостные (конденсаторные батареи) элементы практически не расходуют электроэнергии (без учета магнитного рассеивания и утечек в конденсаторах), хотя она и используется для создания электромагнитных и электрических/электростатических полей, но в процессе разряда возвращается обратно в сеть. Так как энергия циркулирует, то соответственно есть изменения тока и напряжения, которые можно посчитать в виде условной реактивной мощности используемой только для совершения данных преобразований.

Для электрических цепей в зависимости от подключаемого оборудования можно выделить три ситуации:

  • если оборудование имеет практически чистую активную (резистивную) нагрузку, например, лампы накаливания, утюги, электроплиты и др. приборы, то протекающий через цепь переменный ток будет синфазен напряжению (см. рис. ниже). Т.е. ток и напряжение будут совпадать по фазе, угол между напряжением и током ϕ=0. Для данного случая мощность является полностью активной и определяется как произведение тока на напряжение. Мощность, переданная источником, полностью тратится на совершение работы.

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для активной (резистивной) нагрузки.

  • в оборудовании преобладает только индуктивная нагрузка. В данном случае имеется ситуация когда ток отстает от напряжения на уголϕ (см. рис. ниже), это связано со свойственной индуктивности инерционностью, задерживать появление тока. Для идеального случая, когда ϕ = 90° (в некоторой степени подходит для асинхронных двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу ϕ > 80°), как видно из рисунка, в первой четверти периода происходит потребление энергии для создания магнитного поля, а во второй четверти его обратная генерация в сеть, т.е. происходит обмен мощностью.

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для индуктивной нагрузки.

  • третья ситуация аналогична предыдущей, но в данном случае для оборудования с только емкостной нагрузкой, проходящий через него ток будет опережать напряжение (см. рис. ниже).

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для емкостной нагрузки.

В реальности нагрузка имеет более-менее выраженную индуктивно-емкостную нагрузку (см. рис. ниже), зависящую от параметров самого оборудования. Из-за смещения фаз напряжения и тока уменьшается величина активной мощности, используемой для совершения полезной работы в системах с индуктивной нагрузкой, так как часть электрической энергии (реактивной мощности) будет циркулировать в энергосистеме и тратиться только на создание магнитных полей, не совершая ничего полезного, что в свою очередь приводит к увеличению тока необходимого для полноценной работы оборудования. В то же время, как известно, все проводники обладают активным сопротивлением, и циркуляция больших токов в системе будет приводить к их нагреву (величина нагрева, а соответственно и потерь, как известно, пропорциональна квадрату тока), а соответственно и к потерям электрической энергии.

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для индуктивно-емкостной нагрузки.

Для расчетов полной мощности применяется формула,

где, P — активная мощность, определяется по формуле,

Q — реактивная мощность, определяется по формуле,

U — напряжение, I — сила тока, ϕ — угол между напряжением и током.

Как было сказано выше, перетоки реактивной мощности в сети не выполняют полезной работы, при этом загружают источник, силовые линии, и все коммутационное оборудование, установленное между генерирующими станциями и конечными потребителями, а также нагревая кабели и линии высоковольтных передач, снижая тем самым их пропускную способность (с увеличением температуры растет сопротивление проводов) и создавая бесполезное тепло. Зачем же греть окружающую среду и еще платить за это деньги?

Помимо этого снижение пропускной способности и увеличение потерь из-за нагрева проводов ведет к значительным отклонениям напряжения, нормируемым в соответствии с ГОСТ 13109-97, что в конечном итоге негативно сказывается на:

  • уменьшение вращающего момента и частоты вращения асинхронных двигателей, что в конечном итоге, при соответствующей нагрузке может привести к его остановке. Одновременно с уменьшением напряжения (снижения реактивной мощности на 2-3 % за каждый процент напряжения) пропорционально вырастит ток двигателя, что может привести к перегреву изоляции обмоток и уменьшения его срока службы.
  • уменьшение световой отдачи осветительных приборов, что скажется на производительности труда рабочих. Для люминесцентных ламп снижения/повышения напряжения на 10% приводят к уменьшению их срока службы на 20-25%. Помимо этого, учитывая то, что многие производители компактных люминесцентных ламп не используют в ЭПРА корректоры коэффициента мощности (ККФ), увеличение питающего напряжения ведет к увеличению потребления реактивной мощности. Без ККФ значение коэффициента мощности находиться на уровне 0.5, что делает проблему компенсации также актуальной для индивидуальных потребителей электроэнергии со значительным количеством данных ламп.
  • качество работы и длительность эксплуатации различной бытовой электроаппаратуры.
  • на качество работы сварочного оборудования, так при отклонениях напряжения до 15%, на машинах для точечной сварки будет гарантированно получаться брак.
  • качество и устойчивость работы энергетических систем, возможно появление такой ситуации как «лавина напряжении», обусловленная нарастающим дефицитом реактивной мощности.

Исходя из всего вышесказанного, решение проблем по компенсации реактивной мощности занимают одно из важнейших мест среди мероприятий направленных на повышение эффективности распределения, передачи и потребления электроэнергии. Ведь от их результатов зависит качественное электроснабжение, а также экономия средств по оплате за потребленную электроэнергию (активную и реактивную) и материальных ресурсов. Поэтому в зависимости от конкретной ситуации, все вопросы по компенсации реактивной мощности необходимо решать с учетом современных разработок и решений для данной области.

Основной безразмерной величиной, характеризующей преобладание реактивной составляющей в оборудование, является коэффициент мощности, который численно равен косинусу сдвига тока относительно приложенного к нагрузке напряжения или отношению потребляемой оборудованием активной мощности (Р), к полной (S).

Таким образом, многие предприятия и генерирующие/распределительные сетевые компании стремятся увеличить cos(ϕ) до 1, чтобы в значительной мере снизить величину потребляемой реактивной мощности. Как было приведено выше, в быту и промышленности в основном преобладает оборудование с индуктивным характером нагрузки, с отставанием тока от напряжения, поэтому используя устройства с емкостной нагрузкой, удается уменьшить сдвиг между током и напряжением в фазе, а соответственно добиться cos(ϕ), близкого к единице.

Этого можно достичь с минимальными затратами путем использования компенсирующих установок построенных на базе конденсаторов (конденсаторные установки КРМ, АУКРМ, батареи статических конденсаторов), более дорогих синхронных двигателей в режиме перевозбуждения или тиристорных схем с фильтрами, устанавливаемых непосредственно вблизи оборудования с преобладающей реактивной нагрузкой или группами, на распределительных подстанциях предприятия. Так создание электрической энергии с преобладающей емкостной характеристикой с генерирующих синхронными генераторами подстанций, в целом не целесообразно, ввиду тех же самых потерь при передаче и распределении электрической энергии.

В последнее время все более востребованными становятся конденсаторные установки АУКРМ, позволяющие производить более точную коррекцию коэффициента мощности с учетом изменения значений, потребляемой мощности от токов нагрузки, напряжения, времени суток.

При этом при формировании конденсаторной установки желательно обеспечивать максимально малый шаг регулирования, но с использованием минимального количества конденсаторов. В конечном итоге грамотный выбор определенного оборудования для компенсации реактивной мощности определяется на основании технико-экономических расчетов, характера преобладающей в сетях предприятия реактивной нагрузки, что позволит достигнуть положительного экономического эффекта при минимальных сроках окупаемости внедренного оборудования.

По материалам компании «Нюкон»

Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Формула для полной мощности

Полная мощность = √ (Активная мощность 2 + Реактивная мощность 2 )

kUA = √(kW 2 + kUAR 2 )

Следует заметить, что:

  • резистор потребляет активную мощность и отдаёт её в форме тепла и света.
  • индуктивность потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме магнитного поля.
  • конденсатор потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме электрического поля.

Все эти величины тригонометрически соотносятся друг с другом, как показано на рисунке:

Научные статьи на тему «Реактивная мощность»

Источники реактивной мощности в электросетях Определение 1 Реактивная мощность – это составляющая.
или реактивная мощность нагрузки.
Назначение и компоненты компенсации реактивной мощности Определение 2 Компенсация реактивной мощности.
реактивной мощности.
Регуляторы реактивной мощности.

Автор Демьян Бондарь
Источник Справочник
Категория Электроника, электротехника, радиотехника
Статья от экспертов

Компенсация реактивной мощности

Одним из основных вопросов, связанных с повышением качества электроэнергии в сетях, решаемых как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающий выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, размещение источников в системе электроснабжения. Рациональная компенсация реактивной мощности в промышленных электросетях включает в себя широкий комплекс вопросов, направленных на повышение экономичности работы электроустановок.

Автор(ы) Швейгерт Виталий Федорович
Источник Вестник науки и образования
Научный журнал

Это приведет к тому, что суммарно половину периода переменного напряжения конденсатор потребляет энергию из сети, а половину периода отдает, при этом суммарная потребляемая активная электрическая мощность равна нулю. Но, поскольку через конденсатор течет значительный ток, который может быть измерен амперметром, принято говорить, что конденсатор – потребитель реактивной электрической мощности.

Вычисляется реактивная мощность как произведение тока на напряжение, но единица измерения уже не ватт, а вольт-ампер реактивный (ВАр). Так, через подключенный к сети 220 В частотой 50 Гц электрический конденсатор емкостью 4 мкФ течет ток порядка 0,3 А. Это означает, что конденсатор потребляет 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивной мощности – сравнимо с мощностью средней лампы накаливания, но конденсатор, в отличие от лампы, при этом не светится и не нагревается.

Реактивная индуктивная мощность

Если в конденсаторе ток опережает напряжение, то существуют ли потребители, где ток отстает от напряжения? Да, и такие потребители, в отличие от емкостных потребителей, называются индуктивными, оставаясь при этом потребителями реактивной энергии. Типичная индуктивная электрическая нагрузка – катушка с определенным количеством витков хорошо проводящего провода, намотанного на замкнутый сердечник из специального магнитного материала.

На практике хорошим приближением чисто индуктивной нагрузки является работающий без нагрузки трансформатор (или стабилизатор напряжения с автотрансформатором). Хорошо сконструированный трансформатор на холостом ходу потребляет очень мало активной мощности, потребляя мощность в основном реактивную.

Реальные потребители электрической энергии и полная электрическая мощность

Из рассмотрения особенностей емкостной и индуктивной нагрузки возникает интересный вопрос – что произойдет, если емкостную и индуктивную нагрузку включить одновременно и параллельно. Ввиду их противоположной реакции на приложенное напряжение, эти две реакции начнут компенсировать друг друга. Суммарная нагрузка окажется только емкостной или индуктивной, и в некотором идеальном случае удастся добиться полной компенсации. Выглядеть это будет парадоксально – подключенные амперметры зафиксируют значительные (и равные!) токи через конденсатор и катушку индуктивности, и полное отсутствие тока в объединяющих их общей цепи. Описанная картина несколько нарушается лишь тем, что не существует идеальных конденсаторов и катушек индуктивности, но подобная идеализация помогает понять суть происходящих процессов.

Вернемся к реальным потребителям электрической энергии. В быту мы пользуемся в основном потребителями чисто активной мощности (примеры приведены выше), и смешанной активно-индуктивной. Это электродрели, перфораторы, электродвигатели холодильников, стиральных машин и прочей бытовой техники. Также к ним относятся электрические трансформаторы источников питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры и стабилизаторов напряжения. В случае подобной смешанной нагрузки, помимо активной (полезной) мощности, нагрузка потребляет еще и реактивную мощность, в итоге полная мощность отказывается больше активной мощности. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), и всегда представляет собой произведение тока в нагрузке на напряжение на нагрузке.

Таинственный «косинус фи»

Aktivnaia i reaktivnaia moshchnost pribor

Отношение активной мощности к полной называется в электротехнике «косинусом фи». Обозначается cos φ. Это отношение называется также и коэффициентом мощности. Нетрудно видеть, что для случая чисто активной нагрузки, где полная мощность совпадает с активной, cos φ = 1. Для случаев чисто емкостной или индуктивной нагрузок, где нулю равна активная мощность, cos φ = 0.

В случае смешанной нагрузки значение коэффициента мощности заключается в пределах от 0 до 1. Для бытовой техники обычно в диапазоне 0,5-0,9. В среднем можно считать его равным 0,7, более точное значение указывается в паспорте электроприбора.

За что платим?

И, наконец, самый интересный вопрос – за какой вид энергии платит потребитель. Исходя из того, что реактивная составляющая суммарной энергии не приносит потребителю никакой пользы, при этом долю периода реактивная энергия потребляется, а долю отдается, платить за реактивную мощность незачем. Но бес, как известно, кроется в деталях. Поскольку смешанная нагрузка увеличивает ток в сети, возникают проблемы на электростанциях, где электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, а именно: индуктивная нагрузка «развозбуждает» генератор, и приведение его в прежнее состояние обходится в затраты уже реальной активной мощности на его «довозбуждение».

Таким образом, заставить потребителя платить за потребляемую реактивную индуктивную мощность вполне справедливо. Это побуждает потребителя компенсировать реактивную составляющую своей нагрузки, а, поскольку эта составляющая в основном индуктивная, компенсация заключается в подключении конденсаторов наперед рассчитанной емкости.

Потребитель находит возможность платить меньше

Если потребителем оплачивается отдельно потребляемая активная и реактивная мощность. Он готов идти на дополнительные затраты и устанавливать на своем предприятии батареи конденсаторов, включаемые строго по графику в зависимости от средней статистики потребления электроэнергии по часам суток.

Существует также возможность установки на предприятии специальных устройств (компенсаторов реактивной мощности), подключающих конденсаторы автоматически в зависимости от величины и характера потребляемой в данный момент мощности. Эти компенсаторы позволяют поднять значение коэффициента мощности с 0,6 до 0,97, т.е. практически до единицы.

Принято также, что если соотношение потребленной реактивной энергии и общей не превышает 0,15, то корпоративный потребитель от оплаты за реактивную энергию освобождается.

Что же касается индивидуальных потребителей, то, ввиду сравнительно невысокой потребляемой ими мощности, разделять счета на оплату потребляемой электроэнергии на активную и реактивную не принято. Бытовые однофазные счетчики электрической энергии учитывают лишь активную мощность электрической нагрузки, за нее и выставляется счет на оплату. Т.е. в настоящее время даже не существует технической возможности выставить индивидуальному потребителю счет за потребленную реактивную мощность.

Особых стимулов компенсировать индуктивную составляющую нагрузки у потребителя нет, да это и сложно осуществить технически. Постоянно подключенные конденсаторы при отключении индуктивной нагрузки будут бесполезно нагружать подводящую электропроводку. За электросчетчиком (перед счетчиком тоже, но за то потребитель не платит), что вызовет потребление активной мощности с соответствующим увеличением счета на оплату, а автоматические компенсаторы дороги и вряд ли оправдают затраты на их приобретение.

Другое дело, что производитель иногда устанавливает компенсационные конденсаторы на входе потребителей с индуктивной составляющей нагрузки. Эти конденсаторы, при правильном их подборе, несколько снизят потери энергии в подводящих проводах, при этом несколько повысив напряжение на подключенном электроприборе за счет уменьшения падения напряжения на подводящих проводах.

Но, что самое главное, компенсация реактивной энергии у каждого потребителя, от квартиры до огромного предприятия, снизит токи во всех линиях электропитания, от электростанции до квартирного щитка. За счет реактивной составляющей полного тока, что уменьшит потери энергии в линиях и повысит коэффициент полезного действия электросистем.

Похожие темы:

  • Приборы для экономии электроэнергии. работа и альтернатива
  • Компенсация реактивной мощности. Виды и нагрузки. Применение
  • Перекос фаз. Причины возникновения и устранение. Защита
  • Качество электроэнергии. Показатели и характеристики. Факторы
  • Трехфазные и однофазные сети. Отличия. Преимущества и недостатки
  • Глухозаземленная нейтраль. Устройство и работа. Применение
  • Изолированная нейтраль. Устройство и принцип действия
  • Закон Джоуля-Ленца. работа и применение. Особенности
  • Электрическая прочность. Виды диэлектриков. Особенности
  • Блуждающие токи. Возникновение и защита. Особенности
  • Вихревые токи (Токи Фуко). Влияние и применение. Особенности
  • Обратная связь (ОС). Виды и применение. Работа и особенности
Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий