Реактивная мощность

Теория реактивной мощности

Реактивная мощность

Теория реактивной мощности

Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер.

В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы), ток опережает напряжение.

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой:

  • – активный ток
  • Iри – реактивный ток индуктивного характера
  • К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.

  • Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно)
  • Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно)
  • A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)
  • Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации.

    Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

    Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (φ)

    Cos (φ) = P1гарм / A1гарм

    где:

    • P1гарм – активная мощность первой гармоники 50 Гц
    • A1гарм – полная мощность первой гармоники 50 Гц

    где:

    A = √P² + Q²

    Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

  • Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);
  • Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330…370 В, вместо 380 В);
  • Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.
  • Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.

    Потребители реактивной мощности

    Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

    Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести.

    Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности.

    Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

    Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя – статора передаётся во вторичную – ротор посредствам магнитного поля.

    Индукционные печи как потребители реактивной мощности.

    К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов.

    Обратите внимание

    По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

    Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте.

    Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др.

    Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

    Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

    С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление.

    Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая – реактивная мощность.

    Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.

    Действительно, для простейшей схемы:

    • Р – активная мощность в центре питания,
    • Рн – активная мощность на шинах потребителя,
    • R – активное сопротивление распределительной сети,
    • Q – реактивная мощность в центре питания,
    • – реактивная мощность на шинах потребителя.
    • U – напряжение в центре питания,
    • – напряжение на шинах потребителя,
    • Х – индуктивное сопротивление распределительной сети.

    В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощность Q. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается – значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

    Р = Рн + ( Рн² + Qн² ) * R / Uн²;

    Q = Qн + ( Рн² + Qн² ) * X / Uн².

    Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

  • В распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности – потери при транспорте электрической энергии:

    δР = ( Рн² + Qн² ) * R ,

    часть которых (а иногда и значительную) составляют потери от транспорта реактивной мощности.

  • Величина напряжения у потребителя, а, следовательно, и качество электрической энергии, снижается:

    Uн = U – ( P * R + Q * X ) / U.

  • Увеличивается загрузка распределительной сети током, что лишает потребителя возможности перспективного развития.
  • Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.

    Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности – потребительских статических конденсаторов.

    Компенсация реактивной мощности применяется:

    • по условию баланса реактивной мощности;
    • как важное мероприятие для снижения потерь электрической энергии в сетях;
    • для регулирования напряжения.

    Реактивная мощность и её компенсация, формула, схема, диаграмма

    Реактивная мощность

    Большинство электроприемников потребляет из сети ток, отстающий от приложенного к зажимам напряжения. Это связано с наличием индуктивностей, создающих магнитный поток, необходимый для функционирования ЭП.

    Примем, что приемник электроэнергииприсоединен к источнику синусоидального напряженияи потребляет синусоидальный ток, сдвинутый по фазе относительно напряжения на угол ср.

    Мгновенная мощность, переносимая переменным (синусоидальным) током, — это произведение мгновенных тока и напряжения. Мгновенная мощность — тоже синусоида, но двойной частоты.

    Мгновенная мощность положительна при совпадении знаков тока и напряжения грузку и обозначена «Г*Н») и отрицательна при разных знаках тока и напряжения (т. е. передается от нагрузки в генератор: «Н*Г»).

    При наличии индуктивностей в нагрузке часть периода электромагнитной энергии запасается, а в другую часть периода она поступает обратно в основной источник энергии — генератор. В целом за период количество энергии, переданной от генератора в нагрузку, больше (на величину активной мощности), чем переданной от нагрузки в генератор.

    Происходит перенос энергии от генератора в нагрузку. Аналогичные процессы происходят, если в нагрузке присутствует не индуктивность, а емкость, т. е. есть нагрузка потребляет ток, опережающий напряжение.

    Значение мгновенной мощности на зажимах приемникаявляется алгебраической суммой двух величин, одна из которых не зависит от времени, а другая пульсирует с двойной частотой.

    Центрируем синусоиду, т. е. переносим ось абсцисс, в центр синусоиды мгновенной мощности (рис. 9.2). Величину этого переноса, или первое слагаемое в формуле (9.

    1), и назвали активной мощностью,задав направление движения этой мощности только от генератора в нагрузку. Активная мощность характеризует энергию, выделяемую в единицу времени на производство полезной работы в нагрузке. А центрированная синусоида (величина действующего значения синусоиды) получила название реактивной мощности(РМ).

    Важно

    Соответственно вводится понятие полной мощности, потребляемой нагрузкой, которую в комплексной форме можно представить выражениями:

    Принято считать, что если потребляемый ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то РМ имеет положительное значение и говорят о потреблении РМ, а если ток опережает напряжение (емкостный характер нагрузки), то РМ имеет отрицательное значение и говорят о генерации РМ.

    Введенное понятие «реактивная мощность» отражает обменные процессы передачи энергии на переменном токе. Протекает РМ по элементам сети, загружая их, вызывает в них потери активной и реактивной мощности, вызывает падение напряжения, но не производит полезной работы в нагрузке, так как количество энергии в целом за период, перенесенной центрированной синусоидой в одном направлении, равно количеству энергии, перенесенной в обратном направлении. По этой причине произведение РМ на время не является энергией и нет понятия «реактивная энергия» (этот термин иногда используют при решении задач учета электроэнергии, но правильнее говорить о кварчасах). Чтобы подчеркнуть особый характер РМ, отступили от правил в написании ее размерности и пишут: вар, квар, Мвар (а не ВАр, кВАр, МВАр, как это следовало бы по правилам).

    До недавнего времени основным нормативным показателем, характеризующим потребление РМ, был коэффициент мощностиcos φ(см. формулу (9.3)). На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этогокоэффициента должно было находиться в диапазоне 0,92 …0,95. Следует признать, что выбор соотношения P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения РМ. Например, при уменьшении коэффициента мощности с 0,95 до 0,94 РМ изменяется на 10 %, а при уменьшении этого же коэффициента с 0,99 до 0,98 изменение РМ составляет уже 42 %. При расчетах удобнее оперировать соотношением Q/P = tgcp, которое назвали коэффициентом реактивной мощности.

    Рис. 9.3. Принципиальная схема питания узла нагрузки

    Можно уменьшить индуктивность узла нагрузки установкой емкостей или, в общем случае, установкой в узле устройств, потребляющих опережающий ток (устройств, генерирующих РМ). Это позволяет уменьшить потребление РМ узлом нагрузки, т.е. компенсировать часть РМ узла нагрузки, поэтому такое мероприятие по

    лучило название «компенсация реактивной мощности» (КРМ). Устройства, потребляющие опережающий ток, получили название «компенсирующие устройства» (КУ), или дополнительные источники реактивной мощности. Таким образом, установка КУ в узле нагрузки (рис. 9.3) уменьшает переток РМ в этот узел, что приводит выше точки отключения КУ (на рис. 9.4, 9.5 — векторные диаграммы мощностей и токов, соответствующие рис. 9.3) к снижению:

    1) Загрузки элементов в цепи питания рассматриваемого узла нагрузки (что может, в частности, снизить сечение токоведущих частей);

    2) Нагрузочных (продольных) потерь активной мощности в элементах в цепи питания рассматриваемого узла нагрузки;

    3) Потерь (и падения) напряжения в элементах в цепи питанияузла нагрузки.

    Что такое реактивная мощность простым языком

    Реактивная мощность

    Прежде чем говорить о том, что собой представляет реактивная мощность различного рода приборов, необходимо дать определение электрической мощности. Итак, под электрической мощностью необходимо понимать величину, характеризующую быстроту передачи тока за конкретный временной отрезок, скорость его генерации.

    Чем выше будет уровень мощности, тем больший объем работы конкретный прибор сможет выполнять за конкретный временной отрезок. Мощность, перешедшую в нагрузку, в физике принято называть активной.

    Мощность, не перешедшую в нагрузку прибора, принято называть реактивной. Выражаясь простым языком, реактивная мощность представляет собой величину, характеризующую степень нагрузки на конкретный электрический прибор.

    Совет

    Наверняка вы, идя по улице, неоднократно замечали, что стекла некоторых балконов покрыты очень тонким слоем пленки, которая блестит. Так вот, делается она из конденсаторов, которые и потребляют больше всего реактивной мощности.

    Их главной особенностью является способность сначала накапливать энергию, а после ее отдавать. То есть конденсатор, по сути, представляет собой аккумулятор. Если его подключить к сети, ток в которой постоянен, он зарядится кратковременным импульсом. После чего электричество через него проходить уже не будет.

    Конденсатор впоследствии можно будет вернуть в изначальное состояние путем отключения его от сети, подав нагрузку на его обкладки. Некоторый период времени нагрузка будет проводить электричество.

    В идеале конденсатор должен отдавать в нагрузку ровно такое количество тока, которое он получает при зарядке. Если к конденсатору подсоединить лампу накаливания, то она вспыхнет на какое-то время. Резистор в этом случае сразу же нагреется, а неосторожного человека, что называется “долбанет”. Причем, даже возможно, что насмерть.

    Вообще, очень интересно получается, когда конденсатор подключается к источнику тока, который является переменным. В этом случае конденсатор беспрерывно заряжается и разряжается. И через него будет постоянно проходить электрический ток. Но он не будет совпадать с напряжением.

    Как протекает процесс

    В тех цепях, где ток постоянен, значение средней и мгновенной мощностей, могут иногда быть одинаковыми. В цепях же с током, являющимся непостоянным, их совпадение возможно исключительно если нагрузка активная. Пример – лампочка или же обогреватель.

    Если же нагрузка является индуктивной, как, к примеру, в случае с трансформаторами или же двигателями, то ток по фазе напряжения будет отставать. Если же емкостная, то наоборот опережать.

    Как можно компенсировать реактивную мощность приборов

    Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что если нагрузка на прибор обладает индуктивным характером, то компенсирована она может быть при помощи специальных емкостей, которые называются конденсаторами.

    Соответственно, так нагрузка на электрический прибор, которую создают емкости, может быть компенсирована с помощью различного рода индуктивностей. В частности, при помощи реакторов, а также при помощи дросселей.

    Эффект экономии, которым обладает компенсация реактивной энергии

    Эффект экономии, которым обладает компенсация реактивной энергии, может быть достаточно большим. В соответствии со статистическими данными, он составляет от двенадцати процентов до пятидесяти процентов от оплаты за электричество в подавляющем большинстве регионов Российской Федерации.

    Установка различного рода устройств, которые предназначаются для компенсации реактивной энергии, окупается менее чем за двенадцать месяцев.

    Что же касается различного рода проектируемых объектов, то для них внедрение различного рода устройств, которые предназначаются для компенсации электрической энергии, еще на этапе разработки предоставляет возможность существенным образом сэкономить на кабельных линиях за счет сокращения их сечения.

    Итоги

    Установка различного рода устройств, которые предназначаются для компенсации реактивной энергии, может принести достаточно большую выгоду. Также, это позволяет сохранить различного рода оборудование в исправном состоянии.

    К основным причинам, по которым так происходит, можно отнести следующее:

    • Существенное сокращение уровня нагрузки на кабель
    • Наличие возможности использовать кабели, которые обладают меньшим сечением
    • Существенное улучшение уровня качества энергии, которая подается на ее приемники
    • Существенное сокращение количества потребляемого электричества.

    Реактивная мощность

    Реактивная мощность

    В настоящее время взаимоотношения энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии рассматриваются широким кругом лиц неэнергетического образования (коммерческие менеджеры, юристы и другие специалисты).

    Использование понятия реактивная мощность (реактивная энергия) в практике денежных расчетов между поставщиками и потребителями электроэнергии и наличие отдельных счетчиков активной и реактивной энергии вызывает у многих представление о поставке потребителям двух видов продукции. Это не так.

    По электрической сети не передаются электроны разного цвета — красные активной энергии и голубые реактивной. Так что же такое реактивная мощность и реактивная энергия?

    Рассмотрим в самом простом виде свойства переменного тока. Переменный ток называют так не в том смысле, что его значение изменяется в процессе потребления энергии. Оно может оставаться и постоянным.

    Под переменным током в узком смысле понимают периодический ток, мгновенные значения которого в течение каждого небольшого периода (для переменного тока частоты 50 Гц это 1/50 доля секунды) проходят цикл изменения от минимального до максимального значения, и наоборот. Графически этот цикл отображается синусоидой. Переменным в этом смысле является и напряжение.

    В целом же для цепей, в которых и напряжение, и ток циклически изменяются, используется термин «цепи переменного тока».

    В цепях переменного тока существует много элементов, которые разделены воздушными промежутками — обмотки высокого и низкого напряжения трансформаторов или статор и ротор вращающейся машины (двигателя и генератора) не имеют электрической связи между собой.

    Обратите внимание

    Тем не менее электрическая энергия передается через это воздушное пространство, являющееся фактически непроводящим ток диэлектриком.

    Это происходит в связи с возникновением под действием переменного тока переменного магнитного поля в индуктивности, а под действием переменного напряжения — переменного электрического поля в емкости (в комбинации — электромагнитного поля). Полям, как известно, воздух не преграда.

    Переменное магнитное поле, образуемое одной из разделенных обмоток, постоянно пересекает своими магнитными линиями витки другой обмотки, наводя в ней электродвижущую силу. Ее величина такова, что вся мощность первичной обмотки переходит на вторичную обмотку. В конденсаторе те же самые функции осуществляет электрическое поле.

    Магнитное и электрическое поля существуют вокруг любого проводника, который находится под напряжением и по которому идет ток. Теоретически можно передать мощность по воздуху с одной из параллельно проложенных линий на другую. Правда, чтобы передать существенную мощность, линии должны быть длиной в сотни тысяч километров.

    Для переброски через воздушные промежутки большой мощности в устройстве приемлемого размера нужно сильное магнитное поле, сконцентрированное в небольшом пространстве.

    Это достигается обматыванием вокруг металлического сердечника (ярма) многочисленных витков, расположенных близко друг к другу, и применением для изготовления сердечников специальной стали, обеспечивающей большую взаимоиндукцию.

    Электромагнитная энергия непосредственно преобразуется в тепловую, механическую, химическую и другие виды полезной работы в элементах, обладающих активным сопротивлением, обозначаемым R. В элементах, представляющих собой индуктивность L и емкость С, электромагнитная энергия на половине периода запасается, а на второй половине периода возвращается в источник. При этом синусоида тока, создающего магнитное поле, всегда на четверть периода (90 эл. градусов) отстает от синусоиды напряжения, а синусоида тока, создающего электрическое поле, опережает.

    Сопротивления таких элементов связаны с индуктивностью и емкостью и частотой f соотношениями: XL = 2πfL и XС = 1/2πfС. Из этих соотношений видно, что эти сопротивления существуют только в цепях переменного тока, а в цепях постоянного тока (f = 0) XL превращается в 0 (короткое замыкание), а XС — в бесконечность (разрыв цепи). В связи с возвратным характером их действия эти сопротивления называют реактивными, а ток, обусловленный обменной электромагнитной энергией, — реактивным током. Так как реактивный ток сдвинут относительно активного на 90°, то естественно, что полный ток определяется как корень квадратный из суммы квадратов активного и реактивного тока.

    Прохождение через сеть «сдвинутого» тока можно сравнить с продвижением людей через проход, пропускная способность которого составляет, например, 10 человек одновременно. При этом в восьми рядах люди все время идут в одном направлении, а в двух рядах одни и те же люди то идут, то возвращаются.

    В результате число людей, перешедших на другую сторону, следует считать исходя из пропускной способности восемь человек, а проход все время загружен десятью рядами. Аналогична ситуация и с пропускной способностью электрической сети.

    Важно

    Разница лишь в том, что активная и реактивная составляющие тока складываются не арифметически, а в квадрате, поэтому реактивная составляющая в меньшей степени занимает сечение. Для полноты сравнения можно считать, что два ряда людей ходят боком и потому занимают меньше места.

    Полупериоды запасания и возврата электромагнитной энергии индуктивностью и емкостью сдвинуты на 180° (у первой ток сдвинут на -90°, а у второй на +90°), то есть они находятся в противофазе. Поэтому при наличии рядом сопротивлений XL = XС обменная часть электромагнитной энергии не возвращается в источник, а эти элементы постоянно обмениваются ею между собой.

    Уже должна возникнуть мысль, а не поставить ли у потребителя электроэнергии, в сетях которого полно индуктивностей, емкость? И пусть они обмениваются между собой этой частью электромагнитной энергии, разгрузив от нее сеть и предоставив ей возможность передавать только ту часть электромагнитной энергии, которая преобразуется в полезную работу? Эта операция и называется компенсацией реактивной мощности (КРМ).

    Реактивная энергия не выполняет никакой работы в том смысле, что она не может, как активная энергия, превращаться в тепловую или механическую энергию. Так как в физике понятия энергии и работы тождественны, то, строго говоря, словосочетание «реактивная энергия» физически бессмысленно. Тем не менее, применение на практике этого условного понятия удобно. Раз уж возникает дополнительный ток, названный реактивным, то его произведение на напряжение вроде бы по-другому как мощностью не назовешь, а интегрирование мощности по времени формально называется энергией. Более того, сдвинув на 90° обмотку электрического счетчика, можно заставить его считать произведение на напряжение только тока, сдвинутого на 90°, — появляется наглядное подтверждение существования реактивной энергии (счетчик ведь показывает!).

    Реактивный ток не только отнимает у активного тока часть пропускной способности сети, но и на его прохождение по проводам затрачивается определенная часть активной энергии, так как потери мощности ΔР = 3I²R, где I — полный ток. Счетчик активной энергии (по большому счету только ее и можно назвать энергией, поэтому он называется просто счетчик электроэнергии) покажет одно и то же значение и при наличии, и при отсутствии реактивной составляющей тока. Поэтому только по его показаниям нельзя правильно оценить режимы линий передачи электроэнергии (в приведенном выше примере счетчик будет показывать движение восьми рядов, полностью игнорируя два двигающихся туда и обратно). Для оценки же режима сети необходимо знать обе составляющие. Активная и реактивная составляющие полного тока по-разному влияют на напряжение в точках потребления энергии. Потери напряжения от передачи активной составляющей тока в подавляющей степени определяются сопротивлением R, а реактивной — сопротивлением XL. В элементах линий электропередачи обычно XL >> R, поэтому прохождение по сети реактивного тока приводит к гораздо большему снижению напряжения, чем активного тока той же величины.

    Итак, в сети переменного тока нет ничего, кроме циклически изменяющихся мгновенных значений тока и напряжения, циклы которых сдвинуты относительно друг друга на некоторую часть периода. При графическом изображении их в виде векторов говорят, что они сдвинуты на некоторый угол φ. Поэтому анекдотический ответ студента на экзамене, что три провода нужны потому, что по первому передается напряжение, по второму ток, а по третьему cos φ, можно считать более близким к истине, чем представление о поставке потребителям двух видов продукции.

    Видео о реактивной мощности:

    Помощь студентам

    Расчет реактивной мощности электроустановок

    Реактивная мощность

    Реактивная мощность электроустановок – это своего рода качественный показатель работы электроустановки.

    Соответственно, чем больше реактив, тем хуже это сказывается на энергосистеме в целом, происходит загрузка генераторов электростанций реактивными токами.

    А это и увеличение расхода топлива, на котором работает электростанция, потери в приемниках и сетях и падение напряжения. Все это вызывает дополнительные нагрузки на линии электропередач, поэтому приходится увеличивать сечение  кабелей.

    Схемы устройств для индивидуальной, групповой и централизованной компенсации реактивной мощности.

    Компенсации реактивной мощности всегда уделяется самое пристальное внимание. На всех предприятиях в узлах учета устанавливаются электросчетчики учета актива и реактива. По статистике, где отсутствует компенсация реактивной мощности, расходы за электроэнергию могут превышать до 40%. Это способ экономии электроэнергии.

    Так что такое реактивная мощность и откуда она берется? Основные потребители реактивной мощности – это асинхронные электродвигатели. В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные ЭДС, обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током.

    Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а косинус фи уменьшается при малой нагрузке.

    Совет

    Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40.

    Поэтому ставить движок на насос с запасом здесь, как видим, не актуально. Значит, производственные мощности должны быть правильно рассчитаны и правильно загружены.

    Малозагруженные трансформаторы тоже относятся к такой категории и имеют низкий косинус (fi). Т.е. ток нагрузки без компенсации реактива будет большим при одной и той же потребляемой активной мощности из сети.

    Применение автоматических компенсаторных установок снижает потребляемый ток из сети в некоторых случаях до 40-50%

    Кроме того, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

    Способы снижения потребления реактивной мощности: компенсация реактивной мощности

    Принципиальная схема ступенчатого КРМ.

    Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок).

    Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:

    • разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;
    • снизить расходы на оплату электроэнергии при использовании определенного типа установок, снизить уровень высших гармоник;
    • подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
    • сделать распределительные сети более надежными и экономичными.

    Из всего изложенного следует сделать вывод: предприятия, работа которых основана на использовании мощностей электродвигателей, в первую очередь должны быть укомплектованы компенсаторными установками. Затраты окупятся несомненно.

    Реактивная мощность, и как её компенсировать

    Реактивная мощность

    Задачей современной электроэнергетики является снижение потерь электрической мощности и электроэнергии. Компенсация реактивной мощности – самое дешевое и эффективное средство повышения качества электрических систем.

    Конденсаторные установки уменьшают потери и повышают качество электроэнергии в элементах сети электроснабжения.

    Наличие реактивной мощности снижает качество электроэнергии, приводит к дополнительным потерям и перегреву проводов, перегрузке подстанций, необходимости завышения мощности трансформаторов и сечения кабелей, просадке напряжения в электросети.

    Кроме того, реактивная мощность вместе с активной мощностью учитывается поставщиками электроэнергии, и как следствие, подлежит оплате по существующим тарифам, и составляет довольно существенную долю в счетах за электрическую энергию.

    Компенсация реактивной мощности на предприятии позволяет:

    – уменьшить нагрузку на трансформаторы, и как следствие – увеличить срок их службы (Повышение коэффициента мощности нагрузки, питаемой от трансформатора, приводит к уменьшению тока через него, что позволяет добавить нагрузку (подключить дополнительные потребители электроэнергии). Практически повышение cosφ (коэффициента мощности)может оказаться дешевле, чем затраты на замену трансформатора на другой с большей мощностью; – использовать кабели и провода меньшего сечения; – подключить дополнительные потребители электроэнергии за счет разгрузки подводящих кабелей; – уменьшить нагрузку на коммутирующую аппаратуру за счет уменьшения токов в нагрузочных цепях; – уменьшить нагрев электрооборудования и как следствие, увеличить срок его службы; – уменьшить возможность глубокой просадки напряжения на линиях электропередач дальних потребителей; – избежать штрафов за снижение качества электроэнергии из-за пониженного коэффициента мощности; – уменьшить затраты на электроэнергию.

    Потребители реактивной мощности. Потребителями реактивной мощности, которая необходима для создания электромагнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые для своей работы используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80% всей реактивной мощности, связанной с наведением магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем доле реактивной мощности приходится прочие её потребители: индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п. Трансформатор – трансформатор является одним из основных элементов в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем число ступеней трансформации может достигать шести. Поэтому мощность подключенных трансформаторов в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов. Каждый трансформатор является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую. Асинхронный двигатель – асинхронные двигатели вместе с активной мощностью потребляют до 60-70% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя – статора передаётся во вторичную – ротор посредствам магнитного поля. Индукционные печи – к электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл, расплавляемый индуктированными в нём токами. Преобразовательные установки – преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Онинашли применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок. Обратите внимание

    Для уменьшения реактивной мощности используются регулируемые установки компенсации реактивной мощности предназначены для поддержания постоянным заданного значения коэффициента мощности (cosφ) в электрических распределительных трёхфазных сетях промышленных предприятий и других объектов напряжением до 400В, частотой 50 Гц. Установки обеспечивают заданный cosφ в периоды максимальных и минимальных нагрузок, а также исключают режим генерации реактивной мощности в питающую сеть. Установки выполняются по ТУ 3414-001-52734000-04 и соответствуют стандартам на конденсаторные установки и компоненты (ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 27389-87 и ГОСТ 1282-88) установки комплектуются компонентами концерна Epcos: конденсаторы, рассчитаные на 200-кратную перегрузку по току и 30%-ое перенапряжение. конденсаторные контакторы, не создающие бросков тока. микропроцессорный контроллер с многострочным дисплеем. Инструкция на русском языке. Возможна модификация с RS-485.

    Пример обозначения: АКУ-0.4-250-12,5-УХЛЗ IP31 (Автоматическая конденсаторная установка, напряжение сети 0.4 кВ, мощность 250 квар, шаг12,5 квар, климатическое исполнение УХЛ3-умеренно-холодный,3-категория размещения,IP31-степень защиты.).

    4.1. Реактивная мощность в электрической сети

    Реактивная мощность

    Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии.

    Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями.

    Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ).

    Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

    Мощность электрооборудования электроэнергетической системы (генераторов, линий электропередач, трансформаторов, электроприемников и т.п.) определяется его полной мощностью. Между полной мощностью (S) при синусоидальной форме напряжения и тока,  активной (Р) и реактивной (Q) мощностями существует квадратичная зависимость:

    S2 = Р2 + Q2.

    При этом полная, активная и реактивная мощности соответственно равны:

    S = UI;

    Р = UIcosφ;

    Q = UIsinφ,

    где U и I — действующие значения синусоидального напряжения и тока; φ — угол между векторами напряжения и тока.

    В конденсаторах, кабелях и других видах электрооборудования, которое характеризуется емкостным сопротивлением (ХC), реактивной мощностью (Q = U2/ХC), определяемой приложенным напряжением (U), создаются электрические поля.

    В индуктивных элементах системы, например в реакторах, трансформаторах, электродвигателях, создаются магнитные поля. В этом случае реактивная мощность (Q = I2ХL) определяется током (I)и индуктивным сопротивлением элемента (ХL).

    Важно

    Емкостной ток в идеальном конденсаторе опережает приложенное к нему напряжение на 90эл. град. Тогда мощность этого конденсатора

    QC = UIsin(–φ) = –UI

    имеет отрицательный знак. В этом случае говорят, что конденсатор генерирует реактивную мощность.

    Индуктивный ток в идеальном реакторе отстает от приложенного к нему напряжения на 90эл.

    град. Мощность реактора

    QL = UIsinφ

    имеет положительный знак. В этом случае говорят, что реактор потребляет реактивную мощность.

    Очевидно, что в понятиях «генерирование» и «потребление» реактивной мощности заложена определенная условность, но тем самым подчеркивается, что взаимодействие емкостных и индуктивных элементов в электрической сети имеет компенсирующий эффект:

    QS=QLQC.

    Это свойство элементов широко используется на практике для компенсации реактивной мощности, тем самым снижая падение напряжения в сети, потери электроэнергии.

    Приведенные величины S, P, Q применяются при расчетах режимов в электроэнергетических системах, проектировании и выборе электрооборудования. Значения этих величин принимаются как независимые от времени, что позволяет существенно упростить расчеты.

    Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение которого определяется выражением:

    i = Imsin(wt – φ).

    Под действием этого тока на элементах цепи устанавливается напряжение:

    uа = Umcosjsin(wt – φ) — активная составляющая

    и

    uр = Umsinjsin(wt – φ ± p/2) — реактивная составляющая.

    Совет

    Здесь Um и Im — амплитуды синусоидальных напряжения и тока. При этом мощность, потребляемая активными элементами электрической цепи, определяется как функция времени выражением:

    ра = iuа = UIcosφ[1 – cos(2wt – φ)],

    а реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) реактивными элементами, – выражением:

    qр = iuр = ± UIsinφsin2(wt – φ).

    Линейные диаграммы, отображающие мгновенные значения напряжения и тока в активно-индуктивной цепи, а также соответствующие им мощности приведены на рис. 4.1.

    Амплитуды активной и реактивной мощностей, изменяющихся по синусоидальному закону с двойной частотой (2w), соответственно составляют:

    Р = UIcosφ;

    Q = UIsinφ,

    т.е. те самые значения мощностей, которыми пользуются при расчетах режимов и выборе оборудования. При этом мгновенные значения «потребляемой» в индуктивных элементах и «генерируемой» в емкостных элементах реактивной мощности в каждый момент времени имеют противоположный знак, в чем, как было отмечено выше, и проявляется их взаимокомпенсирующее действие.

    Активная и реактивная мощность

    Реактивная мощность

    Нередко возникает вопрос ток, с какими характеристиками необходим для обеспечения полноценной работы электроприборов? Какую мощность должна иметь электросеть, чтобы тот или иной прибор работал? Для ответа на эти вопросы необходимо разобраться в понятиях полной, активной и реактивной мощности.
    В жизни и быту всем людям приходиться сталкиваться с такими понятиями как активная и реактивная мощность. Эти обозначения относятся непосредственно к электроприборам, какими бы они не били. Что же представляют собой эти виды мощностей?

    Полная, активная и реактивная мощности – что это?

    В первую очередь необходимо отметить что, любой электроприбор имеет свою полную мощность, которая равна мощности потребления электроэнергии прибором в единицу времени.

    Как раз в это понятие входят активная и реактивная мощности как составляющие.

    Измеряется полная мощность в вольт-амперах, естественно этот показатель является производной числовых значений двух показателей электрического тока – напряжения и силы.

    Активной мощностью в электроприборе является мощность, полностью затрачиваемая на полезную работу.

    Обратите внимание

    Например, в лампочках и других приборах накаливания, активная мощность равняется полной мощности электроприбора, так как вся потребляемая электролампочкой энергия тратиться на полезное действие – непосредственно на ее накаливание излучающее свет. Работают на такой полной-реактивной мощности многие электроприборы:

    – утюги;

    – обогреватели;

    – электроплиты;

    – электропечи и т.п.

    В сложных приборах, в которых происходят какие-то преобразования электрической энергии, часть полной мощности затрачивается на работу связанную с этим преобразованием. В чистом виде она уходит на подчас не нужный нагрев прибора, его составляющих, или другие бесполезные с точки зрения ожидаемой от этого прибора работы траты энергии.

    Циркулируя по проводникам генераторов, трансформаторов, линий передач, двигателей, она попросту нагревает их. Такая часть полной мощности, которая, проходя через прибор, теряется, называется реактивной мощностью прибора. Реактивная составляющая мощности обязательно присутствует в разных типах электродвигателей.

    Примерами приборов, в которых имеется, и активная, и реактивная мощности потребления есть:

    – переносной электроинструмент – дрели, шуруповерты, болгарки и др.

    – разнообразная бытовая техника – стиральные машинки, хлебопеки, посудомоечные машины, пылесосы, холодильники и др.

    Рассчитываем полную, активную и реактивную мощности

    На таких приборах указывается активная мощность, выраженная в ваттах, и присутствует коэффициент cos, с помощью которого высчитывается полная мощность этого электроприбора.

    Вычисление полной мощности происходит путем деления активной мощности на коэффициент cos. Для примера если активная мощность указана в размере 1000 ватт, а cos равен 0,9, то полная мощность прибора равна 1111, 11 ватт.

    Коэффициент cos может колебаться в пределах от 0,5 до 0,9.

    Активная мощность рассчитывается по следующей формуле.

    Активная мощность формула – P= UIcosφ,

    где U-напряжение тока, I–сила тока, cosφ – косинус угла сдвига фаз между собой.

    Реактивную, равно как и активную мощность, тоже можно рассчитать по формуле.

    Реактивная мощность формула – Q = UIsinφ,

    где U-напряжение тока, I–сила тока, sinφ – синус угла сдвига фаз между собой.

    Имея все приведенные выше формулы и расшифровку понятий полной, активной и реактивной мощностей можно без труда рассчитать необходимую мощность запитки – для обеспечения полноценной работы электроприбора или комплекса электрических приборов работающих на определенном объекте.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector