Eksperimenti aktivne i reaktivne snage za lutke. Koncepti aktivne, prividne i jalove snage

Prilikom izračunavanja električne energije koju troši bilo koji električni ili kućanski uređaj, obično se uzima u obzir takozvana ukupna snaga električne struje koja obavlja određeni rad u krugu datog opterećenja. Koncept "puna snaga" označava svu snagu koju troši električni uređaj i uključuje i aktivnu i reaktivnu komponentu, što je zauzvrat određeno vrstom opterećenja korištenog u strujnom kolu. Aktivna snaga se uvijek mjeri i iskazuje u vatima (W), dok se prividna snaga obično daje u volt-amperima (VA). Različiti uređaji – potrošači električne energije mogu raditi u krugovima koji imaju i aktivne i reaktivne komponente električne struje.

Aktivna komponenta snaga električne struje koju troši bilo koje opterećenje obavlja koristan rad i pretvara se u vrste energije koje su nam potrebne (toplotna, svjetlosna, zvučna, itd.). Pojedinačni električni uređaji rade uglavnom na ovoj komponenti napajanja. To su žarulje sa žarnom niti, električni štednjaci, grijalice, električne peći, pegle itd.
Uz vrijednost aktivne potrošnje energije od 1 kW naznačenu u pasošu uređaja, on će potrošiti punu snagu od 1 kVA iz mreže.

Reaktivna komponenta električna struja se javlja samo u krugovima koji sadrže reaktivne elemente (induktivnosti i kapacitivnosti) i obično se troši na beskorisno zagrijavanje vodiča koji čine ovaj krug. Primjer takvih reaktivnih opterećenja su elektromotori raznih tipova, prijenosni električni alati (električne bušilice, brusilice, glodači za zidove itd.), kao i razni kućni elektronički uređaji. Ukupna snaga ovih uređaja, mjerena u volt-amperima, i aktivna snaga (u vatima) su međusobno povezane kroz faktor snage cosφ, koji može imati vrijednost od 0,5 do 0,9. Ovi uređaji obično pokazuju aktivnu snagu u vatima i vrijednost koeficijenta cosφ. Za određivanje ukupne potrošnje energije u VA potrebno je aktivnu snagu (W) podijeliti sa faktorom cosφ.

Primjer: ako električna bušilica ima vrijednost snage 600 W i cosφ = 0,6, onda slijedi da je ukupna snaga koju troši alat 600 / 0,6 = 1000 VA. U nedostatku podataka o cosφ, možete uzeti njegovu približnu vrijednost, koja je za kućni električni alat približno 0,7.

Kada se razmatra pitanje aktivne i reaktivne komponente električne energije (tačnije, njene snage), obično mislimo na one pojave koje se javljaju u krugovima naizmjenične struje. Pokazalo se da se različita opterećenja u AC krugovima ponašaju sasvim različito. Neka opterećenja koriste energiju koja im se prenosi za predviđenu svrhu (tj. za obavljanje korisnog rada), a druga vrsta opterećenja prvo pohranjuje ovu energiju, a zatim je vraća izvoru energije.

Prema vrsti njihovog ponašanja u krugovima naizmjenične struje, različita potrošačka opterećenja dijele se na sljedeća dva tipa:

1. Vrsta aktivnog opterećenja apsorbira svu energiju primljenu iz izvora i pretvara je u koristan rad (svjetlo iz lampe, na primjer), a oblik struje u opterećenju tačno ponavlja oblik napona na njemu (nema faznog pomaka).

2. Vrsta reaktivnog opterećenja karakterizira činjenica da u početku (u određenom vremenskom periodu) akumulira energiju koju daje izvor napajanja. Zatim se uskladištena energija (tokom određenog vremenskog perioda) vraća ovom izvoru. Takva opterećenja uključuju elemente električnih kola kao što su kondenzatori i induktori, kao i uređaji koji ih sadrže. Istovremeno, u takvom opterećenju postoji fazni pomak od 90 stupnjeva između napona i struje. Budući da je glavna svrha postojećih sistema napajanja korisna isporuka električne energije od proizvođača direktno do potrošača (a ne da je pumpa naprijed-nazad) - komponenta reaktivne snage se obično smatra štetnom karakteristikom kola.

Gubici na reaktivnoj komponenti u mreži direktno su vezani za vrijednost faktora snage o kojoj je bilo riječi, tj. što je veći cosφ potrošača, manji su gubici snage u liniji i jeftinije će biti prijenos električne energije do potrošača.
Dakle, faktor snage nam pokazuje koliko se efikasno koristi radna snaga izvora energije. Kako bi se povećala vrijednost faktora snage (cosφ) u svim vrstama električnih instalacija, koriste se posebne metode kompenzacije jalove snage.
Obično, za povećanje faktora snage (smanjenjem faznog pomaka između struje i napona - ugla φ), u radnu mrežu se uključuju posebni kompenzacijski uređaji, koji su pomoćni generatori vodeće (kapacitivne) struje.
Osim toga, vrlo često, za kompenzaciju gubitaka zbog induktivne komponente kola, u njemu se koriste kondenzatorske banke, povezane paralelno s radnim opterećenjem i koriste se kao sinhroni kompenzatori.

Kao iu općoj teoriji oscilatornih kretanja, vektorski dijagrami su od velike koristi u teoriji naizmjeničnih struja. Očigledno je da se sinusno mijenja elektromotorna sila

može se prikazati kao projekcija na ordinatnu os vektora koji se rotira u smjeru suprotnom od kazaljke na satu s ugaonom brzinom, čija je dužina jednaka i čiji se početni položaj u ovom trenutku poklapao sa osom apscise.

Zapitajmo se kako će vektorski dijagram predstavljati struju koja teče pod utjecajem sinusoidne elektromotorne sile kroz zavojnicu s induktivnošću

Rice. 341. Vektorski dijagram za slučaj induktivnog otpora.

Rice. 342. Vektorski dijagram za slučaj kapacitivnosti.

Vidjeli smo da struja u ovom slučaju zaostaje za naponom za četvrtinu perioda. Zaostajanje od četvrtine perioda biće predstavljeno u vektorskom dijagramu kašnjenjem vektora struje za tako da će „induktivni“ vektor struje biti okomit na vektor napona (Sl. 341), zaostajati za njim za 90. Vrijednost ovaj vektor

Ako imamo posla s prolaskom naizmjenične struje kroz kondenzator, tada je struja ispred elektromotorne sile za četvrtinu perioda. To znači da vektor koji predstavlja "kapacitivnu" struju mora biti ispred vektora napona na (Sl. 342). Vrijednost ovog vektora, kao što smo vidjeli gore, određena je relacijom

U slučaju aktivnog omskog otpora, struja je u fazi sa naponom. To znači da se vektor struje poklapa u pravcu sa vektorom napona, a njegova veličina je, naravno, određena Ohmovim zakonom.

Struja čiji se vektor poklapa sa vektorom napona naziva se aktivna struja. Struje čiji vektori zaostaju za vektorom napona ili ga vode, nazivaju se reaktivne struje. Izbor takvog naziva objašnjava se činjenicom da su aktivne struje te koje određuju potrošnju energije kola naizmjenične struje, dok pobuda reaktivne struje (tj. struje koja zaostaje za naponom ili je prednjači za četvrtina perioda) generator troši istu količinu tokom svake četvrtine energije perioda, koliko u narednoj četvrtini perioda ova reaktivna struja vraća generatoru (vidi sliku 337); Kao rezultat toga, ispada da reaktivna struja ne proizvodi rad.

U općenitijem slučaju, kada je fazni pomak između struje i napona određen uglom (u radijanima), rad naizmjenične struje u cjelobrojnom (ili polucijelom) broju perioda proporcionalan je

Zaista, neka struja zaostaje za naponom za ugao

Tada je tekući rad za period određen integralom

a prosječna snaga koju troši struja određena je omjerom ovog rada i trajanja perioda:

Ako uvedemo efektivne vrijednosti struje i napona, onda

Kod, tj. kod čisto reaktivnih struja, snaga koja se prenosi kroz električni krug od generatora do opterećenja je u prosjeku jednaka nuli.

Za bilo koju datu vrijednost napona i struje, što je manja fazna razlika između njih i, shodno tome, što je bliže jedinici, to se više snage prenosi strujom od generatora do opterećenja; stoga se naziva faktor snage kola.

U mnogim slučajevima su potrebne reaktivne struje. Dakle, ako napajamo elektromagnet naizmjeničnom strujom, dizajniranom, recimo, za podizanje željeznih predmeta, tada će zavojnica elektromagneta, koja u idealnom slučaju predstavlja čisto induktivni otpor, trošiti reaktivnu struju iz mreže, zaostajajući za mrežnim naponom za

Međutim, u većini slučajeva, posebno kada se isporučuju transformatori koji služe za pretvaranje naizmeničnih napona, važna je aktivna struja, koja nastaje kada je sekundarni namotaj transformatora opterećen (§ 84). Reaktivna struja, koja je neophodna za stvaranje magnetskog polja u jezgri transformatora, u suštini je pomoćnog karaktera; ne proizvodi direktno nikakav koristan rad.

Pretpostavimo da je na mrežu priključen veliki broj transformatora, što je često slučaj. Svaki od njih troši poznatu reaktivnu struju da stvori magnetsko polje jezgre. Ovo značajno smanjuje faktor snage instalacije.

Međutim, moguće je postići podudarnost vektora struje sa vektorom napona, koristeći fenomen rezonancije (§ 83). Da biste to učinili, pored transformatora, u mrežu je uključen i kapacitet C, birajući ga tako da njegova reaktivna struja bude jednaka ukupnoj reaktivnoj struji transformatora.

Tada će u vanjskom kolu teći samo aktivna struja, dok se reaktivne struje transformatora i kapacitivnosti međusobno kompenzuju. Oni će kružiti samo u krugu: kapacitivnost - namotaji transformatora, bez ulaska u mrežu napajanja i generatora elektrane. Za dovod i generator, elektrana i uslovi za njihov rad biće najpovoljniji.

Ovaj događaj ima značajan ekonomski značaj. Sasvim je jasno da elektrane i dalekovodi koji nisu opterećeni beskorisnom reaktivnom strujom mogu biti opterećeni aktivnim strujama u većoj mjeri.

Treba napomenuti da je ideja reaktivne struje kao struje čija je faza pomaknuta u odnosu na napon i koja stoga u prosjeku ne proizvodi nikakav rad i nije praćena disipacijom energije (za grijaće žice), naravno, je idealizacija (shematsko pojednostavljenje) procesa koji se dešavaju u stvarnosti pri prolasku naizmjenične struje kroz zavojnice ili kondenzatore. Zaključak da se faze struja koje prolaze kroz zavojnicu ili kondenzator razlikuju od faze napona za 90° bio bi tačan samo ako prolazak ovih struja nije povezan sa zagrijavanjem žica i drugim gubicima (kao što je sugerirano u prethodni stav). Ali struja koja prolazi kroz zavojnicu, u odnosu na zagrijavanje žica, koje se događa prema Joule-Lenzovom zakonu, ne razlikuje se od aktivne struje iste frekvencije (i na visokoj frekvenciji, otpor zavojnice namotavanje zbog skin efekta može biti značajno).

Osim toga, dio struje struje se raspršuje zbog gubitaka na histerezi u jezgri zavojnice (ako ih ima) i Foucaultovih struja u okolnim provodnicima, na primjer, u metalnim "ekranima" u koje su postavljene radio zavojnice. Do curenja struje može doći i zbog nesavršene izolacije itd. Gubici struje struje, ali obično manji nego u zavojnicama, također se primjećuju kada struja prolazi kroz kondenzatore. U ovom slučaju, oni su uzrokovani uglavnom nekim kašnjenjem u vremenu od jačine polja polarizacije dielektrika (u onom njegovom dijelu na koji utječe

uticaj molekularnog termičkog kretanja), a ponekad i prisustvo malih struja jonske provodljivosti u dielektriku kondenzatora.

Zbog gubitaka struja kroz zavojnicu ili kondenzator nikada nije čisto reaktivna, odnosno njen fazni pomak u odnosu na napon nikada nije potpuno jednak, već se uvijek pokaže manjim od ugla koji se naziva igla gubitka. Pod dejstvom napona u idealnom zavojnici, trebalo je da teče čisto reaktivna struja sa amplitudom - u stvari, kao što je prikazano na kraju sledećeg pasusa (u obliku objašnjenja generalizovanog Ohmovog zakona koji je tamo izveden), struja je pobuđen amplitudom koja se smanjila zbog gubitaka na vrijednost ove stvarne struje kroz zavojnicu je zbir aktivne struje i reaktivne struje koje su nastale zbog gubitaka

sa amplitudom smanjenom na vrijednost koja je sa Sl. 343. Prema sl. 343

Rice. 343. Zbog gubitaka, amplituda struje kroz kalem opada na vrijednost, a amplituda reaktivne struje - na vrijednost gdje je ugao gubitka.

Slični odnosi i isti dijagram vrijede i za struju kroz kondenzator. Budući da je aktivna struja struja čija se faza poklapa s naponom, očito je da je snaga koja se rasipa zbog gubitaka jednaka Ista snaga će se raspršiti u kolu sastavljenom od idealnog zavojnice s istom induktivnošću i nekim otporom spojenim u niz s njim (naziva se otpornost na gubitke), ako je ovaj otpor određen upravo iz uvjeta jednakosti disipiranih snaga:

Kao što je gore spomenuto,

Dakle, ispada da

Zamjenom ove vrijednosti amplitude aktivne struje u gornji izraz za tangent gubitaka, dolazimo do formule koja se smatra glavnom kada se analizira učinak gubitaka na način rada naizmjenične struje u električnim kolima:

Po smislu izvođenja ove formule, jasno je da sličan odnos vrijedi i za tangentu gubitaka u kolu sa kondenzatorom

U radiotehničkim proračunima često se koristi recipročna vrijednost tangente gubitaka, koja se naziva faktor kvalitete električnog kola (vidi stranice 460 i 485):

Gubici u velikim induktorima jako zavise od dizajna i magnetnih svojstava jezgre i dizajna namotaja. Uz pravilan dizajn, gubitke u jezgri i u namotaju (koji ne ovise podjednako o frekvenciji) treba što je više moguće izjednačiti.

Da bi se smanjili gubici za Foucaultove struje, jezgre se regrutuju od tankih listova transformatorskog željeza (0,5-0,35 mm debljine), premazanih tankim (0,05 mm) slojem laka kako bi se izolirale jedna od druge. Gubici u takvim jezgrama su oko po kilogramu mase jezgra. Veličina žica se bira uzimajući u obzir povećanje njihovog otpora zbog skin efekta, tako da su tokom rada gubici u namotu približno jednaki gubicima u jezgri. Ukupni gubici u jezgri i namotu transformatora velike snage (reda 3-4%, a kod transformatora vrlo velike snage (reda nekoliko desetina procenta)

Gubici u malim transformatorima laboratorijskog tipa i u "energetskim" transformatorima koji se koriste u radio opremi obično nisu manji od 10-12% (češće oko 30%) su gubici u prigušnicama i transformatorima pojačala audio frekvencije.Namotaj transformatora za audio frekvenciju struje se sastoji od 2000-5000 zavoja i ima induktivnost

Zavojnice rezonantnih kola radio frekvencija imaju induktivnost reda hiljaditih delova (a za kratke talase milionitih delova) henrija. Takvu induktivnost stvara relativno mali broj zavoja žice bez feromagnetnog jezgra. U tom smislu, gubici u RF kalemovima su mali - oko 1% (tangenta kuta gubitka - od 0,02 do 0,005).

Gubici u kondenzatorima (sa izuzetkom elektrolitskih) obično ne prelaze ono što odgovara tangentu gubitaka.U elektrolitskim kondenzatorima tangenta gubitaka može doseći 0,2.

Među najboljim izolatorima (koji imaju otpornost reda ohm-cm) razlikuju se po najmanjoj vrijednosti tangenta gubitka: topljeni kvarc, liskun-muskovit, parafin i polistiren; za njih

Reaktivna snaga i energija smanjuju performanse elektroenergetskog sistema, odnosno punjenje generatora elektrana reaktivnim strujama povećava potrošnju goriva; povećavaju se gubici u napojnim mrežama i prijemnicima, povećava se pad napona u mrežama.

Reaktivna struja dodatno opterećuje električne vodove, što dovodi do povećanja poprečnih presjeka žica i kablova i, shodno tome, do povećanja kapitalnih troškova za eksterne i mrežne mreže.

Kompenzacija reaktivne snage, trenutno je važan faktor koji omogućava rješavanje pitanja uštede energije u gotovo svakom preduzeću.

Prema procjenama domaćih i vodećih stranih stručnjaka, udio energetskih resursa, a posebno električne energije, je oko 30-40% u troškovima proizvodnje. Ovo je dovoljno jak argument da menadžer ozbiljno pristupi analizi i reviziji potrošnje energije i razvoj metoda za kompenzaciju reaktivne snage. Kompenzacija jalove snage ključ je za rješavanje pitanja uštede energije.

Potrošači reaktivne snage

Glavni potrošači reaktivne snage- , koji troše 40% ukupne električne energije zajedno sa kućnim i sopstvenim potrebama; električne peći 8%; pretvarači 10%; transformatori svih faza transformacije 35%; dalekovodi 7%.

U električnim mašinama, promenljivi magnetni tok je povezan sa namotajima. Kao rezultat toga, reaktivna emfs se indukuje u namotajima kada teče naizmjenična struja. uzrokujući fazni pomak (fi) između napona i struje. Ovaj fazni pomak se obično povećava i smanjuje pri malom opterećenju. Na primjer, ako je kosinus phi motora na izmjeničnu struju pri punom opterećenju 0,75-0,80, tada će se pri malom opterećenju smanjiti na 0,20-0,40.

Lako opterećeni transformatori također imaju niske (cos phi). Stoga, ako se koristi kompenzacija reaktivne snage, tada će rezultirajući kosinus phi elektroenergetskog sistema biti nizak i struja električne energije, bez kompenzacije reaktivne snage, će se povećati s istom aktivnom snagom koja se troši iz mreže. Shodno tome, kada se kompenzira reaktivna snaga (pomoću automatskih kondenzatorskih jedinica KRM), struja koja se troši iz mreže smanjuje se, ovisno o kosinus phi, za 30-50%, odnosno zagrijavanje provodljivih žica i starenje izolacije su smanjeni.

osim toga, opskrbljivač električnom energijom uzima u obzir reaktivnu snagu zajedno sa aktivnom snagom, te stoga plaćaju po važećim tarifama, te stoga čini značajan dio računa za električnu energiju.

Struktura potrošača jalove energije u elektroenergetskim mrežama (prema instaliranoj aktivnoj snazi):

Ostali pretvarači: AC u DC, struja industrijske frekvencije u struju visoke ili niske frekvencije, opterećenje peći (indukcijske peći, čelične lučne peći), zavarivanje (transformatori za zavarivanje, jedinice, ispravljači, točkasti, kontaktni).

Ukupni apsolutni i relativni gubici jalove snage u elementima opskrbne mreže su veoma veliki i dostižu 50% snage isporučene u mrežu. Otprilike 70 - 75% svih gubitaka jalove snage su gubici u transformatorima.

Dakle, u transformatoru s tri namotaja TDTN-40000/220 sa faktorom opterećenja od 0,8, gubici reaktivne snage su oko 12%. Na putu od elektrane se dešavaju najmanje tri naponske transformacije, pa gubici jalove snage u transformatorima i autotransformatorima dostižu velike vrijednosti.

Načini smanjenja potrošnje reaktivne snage. Kompenzacija reaktivne snage

Najefikasniji i najefikasniji način smanjenja reaktivne snage koja se troši iz mreže je korištenje jedinica za kompenzaciju jalove snage.(kondenzacijske jedinice).

Upotreba kondenzatorskih jedinica za kompenzaciju jalove snage omogućava:

• rasterećenje vodova, transformatora i rasklopnih uređaja;

• smanjiti račune za struju

• kada koristite određenu vrstu instalacije, smanjite nivo viših harmonika;

• potisnuti mrežne smetnje, smanjiti fazni debalans;

• učiniti distributivne mreže pouzdanijim i ekonomičnijim.
  

Kao što znate, alternator proizvodi dvije vrste električne energije - aktivnu i reaktivnu. Aktivna energija se troši u električnim pećima, lampama, električnim mašinama i drugim potrošačima, pretvarajući se u druge vrste energije – toplotnu, svjetlosnu, mehaničku. Reaktivnu energiju potrošači ne troše i vraća se kroz dovod do generatora. To podrazumijeva povećanje struje koja teče kroz ES i, shodno tome, zahtijeva povećanje njihove površine poprečnog presjeka.

Kompenzacija reaktivne snage

U električnim krugovima koji sadrže kombinovane otpore (opterećenje), posebno aktivne (sijalice sa žarnom niti, električni grijač, itd.) i induktivne (elektromotori, distributivni transformatori, oprema za zavarivanje, fluorescentne sijalice, itd.) komponente, ukupna snaga preuzeta iz mreže, može se izraziti sljedećim vektorskim dijagramom:

Fazno zaostajanje struje od napona u induktivnim elementima uzrokuje vremenske intervale (vidi sl.) Kada napon i struja imaju suprotne predznake: napon je pozitivan, a struja negativan i obrnuto. U tim trenucima, energija se ne troši od strane opterećenja, već se vraća kroz mrežu prema generatoru. U ovom slučaju, električna energija pohranjena u svakom induktivnom elementu širi se kroz mrežu, ne raspršujući se u aktivnim elementima, već čineći oscilatorna kretanja (od opterećenja do generatora i nazad). Odgovarajuća snaga se naziva reaktivna snaga.

Ukupna snaga je zbir aktivne snage koja obavlja koristan rad i jalove snage koja se troši na stvaranje magnetskih polja i stvaranje dodatnog opterećenja na dalekovodima. Odnos između prividne i aktivne snage, izražen kao kosinus ugla između njihovih vektora, naziva se faktor snage.

Aktivna energija se pretvara u korisnu – mehaničku, toplotnu i drugu energiju. Reaktivna energija nije povezana s obavljanjem korisnog rada, ali je potrebno stvoriti elektromagnetno polje čije je prisustvo neophodan uvjet za rad elektromotora i transformatora. Potrošnja reaktivne snage iz elektroenergetske organizacije je neprikladna, jer dovodi do povećanja snage generatora, transformatora, poprečnog presjeka dovodnih kablova (smanjenje propusnosti), kao i povećanja aktivnih gubitaka i pad napona (zbog povećanja reaktivne komponente struje opskrbne mreže). Stoga se reaktivna snaga mora dobiti (generirati) direktno od potrošača. Ova funkcija se izvodi jedinice za kompenzaciju jalove snage (KRM), čiji su glavni elementi kondenzatori.

KRM instalacije su energetski prijemnici sa kapacitivnom strujom, koji tokom rada formiraju vodeću reaktivnu snagu (struja u faznom naponu izvoda) kako bi kompenzirali zaostalu reaktivnu snagu koju stvara induktivno opterećenje.

Jalova snaga Q je proporcionalna reaktivnoj struji koja teče kroz induktivni element:
Q=UxIL,
gdje je IL reaktivna (induktivna) struja, U je napon mreže. Dakle, ukupna struja koja napaja opterećenje je zbir aktivne i induktivne komponente:
I = IR + IL.
Da bi se smanjio udio reaktivne struje u sistemu "generator-opterećenje", kompenzatori (KRM instalacije) se spajaju paralelno sa opterećenjem. U tom se slučaju reaktivna snaga više ne kreće između generatora i opterećenja, već stvara lokalne oscilacije između reaktivnih elemenata - induktivnih namota opterećenja i kompenzatora. Takva kompenzacija jalove snage (smanjenje induktivne struje u sistemu generator-opterećenje) omogućava, posebno, prenošenje veće aktivne snage na opterećenje pri istoj nazivnoj prividnoj snazi ​​generatora.

Zašto je potrebna kompenzacija reaktivne snage?

Glavno opterećenje u industrijskim energetskim mrežama su asinhroni elektromotori i distributivni transformatori. Ovo induktivno opterećenje tokom rada je izvor reaktivne električne energije (reaktivne snage), koja oscilira između opterećenja i izvora (generatora), nije povezana sa obavljanjem korisnog rada, već se troši na stvaranje elektromagnetnih polja i stvara dodatno opterećenje. na vodovima napajanja.
Reaktivnu snagu karakterizira kašnjenje (kod induktivnih elemenata struja zaostaje za naponom u fazi) između sinusoida naponske i trenutne faze mreže. Indikator potrošnje reaktivne snage je faktor snage (KM), numerički jednak kosinusu ugla (φ) između struje i napona. KM potrošača definira se kao omjer potrošene aktivne snage i ukupne snage stvarno preuzete iz mreže, odnosno: cos(f) = P/S. Ovaj koeficijent se koristi za karakterizaciju nivoa reaktivne snage motora, generatora i mreže preduzeća u celini. Što je vrijednost cos(φ) bliža jedinici, manji je udio reaktivne snage preuzete iz mreže.

primjer: pri cos(f) = 1, za prijenos 500 KW u mreži naizmjenične struje od 400 V potrebna je struja od 722 A. Za prijenos iste aktivne snage sa koeficijentom cos(f) = 0,6, vrijednost struje raste do 1203 A.

• postoje dodatni gubici u provodnicima zbog povećanja struje;
• smanjen je kapacitet distributivne mreže;
• mrežni napon odstupa od nominalne vrijednosti (pad napona zbog povećanja reaktivne komponente struje mreže).

Sve navedeno je glavni razlog zašto elektroprivrede zahtijevaju od potrošača smanjenje udjela reaktivne snage u mreži.
Rješenje ovog problema je kompenzacija jalove snage - važan i neophodan uslov za ekonomičan i pouzdan rad sistema napajanja preduzeća. Ova funkcija se izvodi uređaji za kompenzaciju jalove snage (KRM-kondenzatorske jedinice) , čiji su glavni elementi kondenzatori.

Pravilna kompenzacija jalove snage omogućava:

• smanjiti ukupne troškove energije;
• smanjiti opterećenje elemenata distributivne mreže (napojni vodovi, transformatori i razvodne uređaje), čime se produžava njihov vijek trajanja;
• smanjiti gubitke toplotne struje i troškove električne energije;
• smanjiti uticaj viših harmonika;
• potisnuti mrežne smetnje, smanjiti fazni debalans;
• za postizanje veće pouzdanosti i efikasnosti distributivnih mreža.

Osim toga, u postojećim mrežama omogućava:

• eliminisati stvaranje reaktivne energije u mrežu tokom sati minimalnog opterećenja;
• smanjiti troškove popravke i obnove voznog parka električne opreme;
• povećati kapacitet sistema napajanja potrošača, što će omogućiti povezivanje dodatnih opterećenja bez povećanja troškova mreže;
• pružaju informacije o parametrima i stanju mreže,

au novonastalim mrežama - smanjiti snagu trafostanica i poprečni presjek kablovskih vodova, što će smanjiti njihovu cijenu.

Gdje je potrebna kompenzacija reaktivne snage

Jedan od glavnih pravaca za smanjenje gubitaka električne energije i povećanje efikasnosti električnih instalacija industrijskih preduzeća je kompenzacija reaktivne snage uz istovremeno povećanje kvaliteta električne energije direktno u mrežama preduzeća. Niže faktor snage cos(ph) sa istim aktivnim opterećenjem prijemnika, veći je gubitak snage i pad napona u elementima sistema napajanja. Stoga uvijek treba težiti da dobijete najveću vrijednost faktora snage.
Za rješavanje ovog problema koriste se kompenzacijski uređaji tzv instalacije za kompenzaciju jalove snage (KRM), čiji su glavni elementi kondenzatori. Korištenje KRM instalacija omogućava isključenje plaćanja potrošnje iz mreže i proizvodnje reaktivne energije u mrežu, dok je iznos plaćanja za utrošenu energiju, utvrđen tarifama elektroenergetskog sistema, značajno smanjen.
Primjena KRM instalacija efektivno u preduzećima u kojima se koriste alatni strojevi, kompresori, pumpe, transformatori za zavarivanje, električne peći, postrojenja za elektrolizu i drugi potrošači energije sa naglo promjenjivim opterećenjem, odnosno u metalurškoj, rudarskoj, prehrambenoj industriji, u mašinstvu, obradi drveta i proizvodnji građevinskog materijala - odnosno gdje god se zbog specifičnosti proizvodnih i tehnoloških procesa vrijednost cos(f) kreće od 0,5 do 0,8.

Primjena jedinica za kompenzaciju jalove snage KRM neophodno kompanije koje koriste:

• Asinhroni motori (cos(f) ~ 0,7);
• Asinhroni motori, pri djelomičnom opterećenju (cos(f) ~ 0,5);
• Postrojenja za elektrolizu ispravljača (cos(f) ~ 0,6);
• Električne lučne peći (cos(f) ~ 0,6);
• Indukcijske peći (cos(f) ~ 0,2-0,6);
• Pumpe za vodu (cos(f) ~ 0,8);
• Kompresori (cos(f) ~ 0,7);
• Mašine, alatne mašine (cos(f) ~ 0,5);
• Transformatori za zavarivanje (cos(f) ~ 0,4);
• Fluorescentne lampe (cos (f) ~ 0,5-0,6).

Prividno smanjenje snage s kompenzacijom jalove snage:

* podaci dobijeni na osnovu generalizovanog iskustva u radu KRM instalacija

Za praksu je bitno da se reaktivno opterećenje induktivne prirode može kompenzirati paralelnim povezivanjem kapacitivnog opterećenja. Nakon pažljivog proučavanja, ovaj fenomen postaje očigledan: zaostala struja induktivne grane takvog kola kompenzira se vodećom strujom kapacitivne grane. Pravilnim odabirom kapacitivnosti, zaostajanje struje u kolu može se skoro u potpunosti kompenzirati (cos f = 1). Kondenzatori spojeni paralelno s induktivnim opterećenjem radi kompenzacije njegovog RM nazivaju se kompenzacijskim ili kosinusnim (pošto služe za povećanje cos f EM).

Metode kompenzacije

PM kompenzacija može biti individualna (lokalna), kada se kondenzatori montiraju u neposrednoj blizini svakog potrošača i grupe pomoću posebnih kondenzatorskih jedinica, obično smještenih u blizini trafostanica, razvodnih tačaka itd., povezanih na početak svake grupne linije. Ova metoda je pogodna za velike elektrane.

Zašto je potrebna kompenzacija reaktivne snage u elektrodistributivnim mrežama?

Aktivnu snagu proizvode samo generatori elektrana. Reaktivnu snagu generiraju generatori elektrana (sinhroni motori stanica u režimu prekomjerne pobude), kao i kompenzacijski uređaji (na primjer, kondenzatorske banke).
Prijenos reaktivne snage od generatora kroz električnu mrežu do potrošača (indukcijski prijemnici) uzrokuje troškove aktivne snage u mreži u vidu gubitaka i dodatno opterećuje elemente električne mreže, smanjujući njihovu ukupnu propusnost.
Tako, na primjer, generator nazivne snage od 1250 kVA pri nazivnom faktoru snage cosφ=0,8 može dati potrošaču aktivnu snagu jednaku 1250 × 0,8 = 1000 kW. Ako će generator raditi sa cosφ=0,6, tada će mreža dobiti aktivnu snagu jednaku 1250 × 0,6 = 750 kW (aktivna snaga je nedovoljno iskorištena za četvrtinu).
Stoga, po pravilu, nije preporučljivo povećanje izlazne reaktivne snage generatorima stanica kako bi se ona isporučila potrošačima. Najveći ekonomski učinak postiže se postavljanjem kompenzacijskih uređaja (generacija reaktivne energije) u blizini indukcijskih prijemnika koji troše reaktivnu snagu.

Induktivni prijemnici ili potrošači reaktivne energije

• Transformer. To je jedna od glavnih karika u prijenosu električne energije od izvora električne energije do potrošača i dizajnirana je da, pomoću elektromagnetne indukcije, pretvara sistem naizmjenične struje jednog napona u sistem naizmjenične struje drugog napona pri konstantne frekvencije i bez značajnih gubitaka snage.
• asinhroni motor. Asinhroni motori, uz aktivnu snagu, troše i do 65% reaktivne snage elektroenergetskog sistema.
• Indukcijske peći. Riječ je o velikim prijemnicima koji zahtijevaju veliku količinu reaktivne snage za svoj rad. Indukcijske peći frekvencije snage se često koriste za topljenje metala.
• Instalacije pretvarača koje pretvaraju izmjeničnu struju u jednosmjernu pomoću ispravljača. Ove instalacije imaju široku primjenu u industrijskim preduzećima i željezničkom transportu koji koristi jednosmjernu struju.
• Socijalna sfera. Povećanje broja različitih električnih pogona, uređaja za stabilizaciju i pretvaranje, upotreba poluvodičkih pretvarača dovodi do povećanja potrošene jalove snage, a to zauzvrat utječe na rad drugih potrošača energije, smanjuje njihov vijek trajanja i stvara dodatne gubitke snage. Moderne fluorescentne (tzv. štedljive) sijalice, koje se sve više koriste u stanovima i kancelarijama, takođe su potrošači reaktivne snage.

Do čega dovodi nedostatak kompenzacije jalove snage za pretplatnike?

• Za transformatore sa smanjenjem cosφ propusnost aktivne snage se smanjuje zbog povećanja reaktivnog opterećenja.
• Povećanje bruto snage pri spuštanju cosφ dovodi do povećanja struje i, posljedično, gubitaka snage, koji su proporcionalni kvadratu struje.
• Povećanje struje zahtijeva povećanje poprečnih presjeka žica i kablova, a kapitalni troškovi za električne mreže rastu.
• Povećanje struje uz smanjenje cosφ dovodi do povećanja gubitka napona u svim dijelovima elektroenergetskog sistema, što uzrokuje smanjenje napona za potrošače.
• U industrijskim poduzećima smanjenje napona remeti normalan rad električnih prijemnika. Smanjuje se frekvencija rotacije elektromotora, što dovodi do smanjenja produktivnosti radnih mašina, smanjuje se produktivnost električnih peći, pogoršava se kvaliteta zavarivanja, smanjuje se svjetlosni tok lampi, smanjuje se propusnost fabričkih električnih mreža i kao rezultat, kvaliteta proizvoda se pogoršava.

i zbir je dvije veličine, od kojih je jedna konstantna u vremenu, a druga pulsira dvostrukom frekvencijom.

Zlo p(t) za period T naziva se aktivna snaga i potpuno je određena prvim članom jednačine (5.1):

Aktivna snaga karakterizira energiju koju izvor nepovratno troši u jedinici vremena za proizvodnju korisnog rada od strane potrošača. Aktivna energija koju troše električni potrošači pretvara se u druge vrste energije: mehaničku, toplotnu, energiju komprimovanog vazduha i gasa itd.

Prosječna vrijednost drugog člana trenutne snage (1.1) (pulsira dvostrukom frekvencijom) tokom vremena T je nula, odnosno njegovo stvaranje ne zahtijeva nikakve materijalne troškove i stoga ne može obavljati koristan rad. Međutim, njegovo prisustvo ukazuje da se između izvora i prijemnika odvija reverzibilni proces razmene energije. To je moguće ako postoje elementi sposobni da akumuliraju i oslobađaju elektromagnetnu energiju - kapacitivnost i induktivnost. Ova komponenta karakterizira reaktivnu snagu.

puna moć na terminalima prijemnika u složenom obliku može se predstaviti na sljedeći način:

Jedinica prividne snage S = UI - VA.

Reaktivna snaga- vrijednost koja karakterizira opterećenja koja nastaju u električnim uređajima fluktuacijama (razmjenom) energije između izvora i prijemnika. Za sinusoidnu struju, ona je jednaka proizvodu efektivnih vrijednosti struje I i stres U sinusom ugla faznog pomaka između njih: Q = UI sinφ. Jedinica mjere - VAR.

Reaktivna snaga nije vezana za korisni rad EP i troši se samo na stvaranje promjenjivih elektromagnetnih polja u elektromotorima, transformatorima, uređajima, vodovima itd.

Za reaktivnu snagu prihvaćeni su koncepti kao što su proizvodnja, potrošnja, prijenos, gubici, ravnoteža. Vjeruje se da ako struja zaostaje u fazi s naponom (induktivna priroda opterećenja), tada se reaktivna snaga troši i ima pozitivan predznak, a ako struja predvodi napon (kapacitivna priroda opterećenja), tada se reaktivna snaga troši. se generiše i ima negativnu vrijednost.

Glavni potrošači reaktivne snage u industrijskim preduzećima su asinhroni motori (60-65% ukupne potrošnje), transformatori (20-25%), ventilski pretvarači, reaktori, nadzemne električne mreže i drugi prijemnici (10%).

Prijenos jalove snage opterećuje električne mreže i opremu instaliranu u njoj, smanjujući njihovu propusnost. Reaktivnu snagu generiraju sinhroni generatori elektrana, sinhroni kompenzatori, sinhroni motori (regulacija struje pobude), kondenzatorske baterije (BC) i dalekovodi.

Reaktivna snaga koju proizvodi kapacitet mreže je sljedećeg reda veličine: nadzemni vod 20 kV proizvodi 1 kvar na 1 km trofaznog voda; podzemni kabl 20 kV - 20 kvar/km; DV 220 kV - 150 kvar/km; podzemni kabl 220 kV - 3 MVAr/km.

Faktor snage i faktor reaktivne snage.

Vektorska reprezentacija veličina koje karakteriziraju stanje mreže dovodi do reprezentacije reaktivne snage Q vektor okomit na vektor aktivne snage R(Sl. 5.2). Njihov vektorski zbir daje ukupnu snagu S.

Rice. 5.1. Trougao snage

Prema sl. 5.1 i (5.2) slijedi da je S 2 \u003d P 2 + Q 2; tgφ = Q/P; cosφ = P/S.

Glavni standardni indikator koji karakteriše reaktivnu snagu ranije je bio faktor snage cosφ. Na ulazima koji snabdevaju industrijsko preduzeće, prosečna ponderisana vrednost ovog koeficijenta trebalo je da bude u rasponu od 0,92-0,95. Međutim, izbor omjera P/S kao normativna, ne daje jasnu predstavu o dinamici promjena stvarne vrijednosti reaktivne snage. Na primjer, kada se faktor snage promijeni sa 0,95 na 0,94, reaktivna snaga se mijenja za 10%, a kada se isti faktor promijeni sa 0,99 na 0,98, prirast jalove snage je već 42%. U proračunima je zgodnije raditi sa relacijom tgφ = Q/P, koji se naziva faktor reaktivne snage.

Određena su preduzeća sa priključnim kapacitetom većim od 150 kW (sa izuzetkom "domaćih" potrošača). ograničenja faktora reaktivne snage potrošeno u satima velikih dnevnih opterećenja električne mreže - od 7 do 23 sata (Naredba Ministarstva industrije i energetike Ruske Federacije od 22. februara 2007. br. 49 „O postupku izračunavanja vrijednosti ​​odnosa potrošnje aktivne i reaktivne snage za pojedinačne prijemne uređaje potrošača električne energije koji se koriste za utvrđivanje obaveza strana u ugovorima o pružanju usluga za prijenos električne energije").

Ograničenja faktora jalove snage (tgφ) se normalizuju u zavisnosti od položaja tačke (napona) priključenja potrošača na mrežu. Za napon mreže od 100 kV tgφ = 0,5; za 35, 20, 6 kV mreže - tgφ = 0,4 i za 0,4 kV mrežu - tgφ = 0,35.

Uvođenje novih direktivnih dokumenata o kompenzaciji reaktivne snage imalo je za cilj poboljšanje efikasnosti cjelokupnog sistema napajanja od generatora elektroenergetskog sistema do prijemnika.

Uvođenjem faktora jalove snage postalo je moguće predstaviti gubitke aktivne snage u smislu aktivne ili reaktivne snage: R= (P 2 /U 2) R(l + tan 2 φ).

Ugao između vektora snage R I S odgovara kutu φ između vektora aktivne komponente struje I a i puna struja I, što je zauzvrat vektorski zbir aktivne struje I a, koji je u fazi sa naponom i reaktivnom strujom I p pod uglom od 90° prema njemu. Ovakav raspored struja je dizajnerska tehnika povezana sa razgradnjom na aktivnu i reaktivnu snagu, što se može smatrati prirodnim.

Većina potrošača treba reaktivnu snagu jer funkcioniraju promjenom magnetnog polja. Za najčešće motore u normalnom radu mogu se dati sljedeće približne vrijednosti tgφ.

U trenutku pokretanja motora potrebna je značajna količina reaktivne snage, dok je tgφ = 4-5 (cosφ = 0,2-0,24).

Sinhrone mašine imaju mogućnost da troše ili isporučuju reaktivnu snagu u zavisnosti od stepena pobude.

Kod sinhronih generatora i motora, dimenzije uzbudnih kola ograničavaju mogućnost snabdijevanja jalove snage na maksimalne vrijednosti tgφ = 0,75 (cosφ = 0,8) ili do tgφ = 0,5 (cosφ = 0,9) (tablica 5.1).

Sinhroni motori proizvedeni u domaćoj industriji dizajnirani su za vodeći faktor snage (cosφ = 0,9) i za nazivno aktivno opterećenje P nom i napon U nazivna može generirati nazivnu reaktivnu snagu Q nom ≈ 0,5 P nom.

Kada je SM podopterećen u smislu aktivne snage β = P/P nom< 1 возможна перегрузка по реактивной мощности α = Q/Q naziv > 1.

Prednost SM koji se koristi za kompenzaciju reaktivne snage u odnosu na CB je mogućnost nesmetane regulacije proizvedene jalove snage. Nedostatak je što su aktivni gubici za proizvodnju reaktivne energije za SM veći nego za CB.

Dodatni aktivni gubici u SM namotaju uzrokovani generiranom reaktivnom snagom unutar cosφ mijenjaju se od 1 do 0,9 pri nazivnoj SM aktivnoj snazi ​​jednakoj P nom, kW:

R nom = Q 2 broj R /U 2 nom,

gdje Q nom - nazivna reaktivna snaga SM, kV Ar; R- otpor jedne faze LED namotaja u zagrijanom stanju, Ohm; U nom - nazivni napon mreže, kV.

U sistemima napajanja industrijskih preduzeća, CB kompenziraju reaktivnu snagu osnovnog (glavnog) dijela krivulja opterećenja, a SD smanjuju vršne vrijednosti na grafikonu.

Tabela 5.1

Zavisnosti faktora preopterećenja o reaktivnoj snazi ​​sinhronih motora th

Sinhroni kompenzatori.

Različiti SD su sinhroni kompenzatori (SC), koji su SD bez opterećenja na osovini. Trenutno se proizvodi SC kapaciteta preko 5000 kV?Ar. Ograničene su upotrebe u mrežama industrijskih preduzeća. Za poboljšanje kvalitete napona u električnim krugovima velike snage s oštro promjenjivim udarnim opterećenjem (lučne peći, valjaonice, itd.), koriste se SC.

Statički tiristorski kompenzacijski uređaji.

U mrežama s oštro promjenjivim udarnim opterećenjem na naponu od 6-10 kV preporučuje se korištenje ne kondenzatorskih baterija, već posebnih brzih izvora reaktivne energije (RRP), koje treba instalirati u blizini takvog EP. IRM šema je prikazana na sl. 5.2. Koristi induktivnost kao podesivu induktivnost LR i neregulisanim kontejnerima OD 1-OD 3.

Rice. 5.2. Brzi izvori reaktivne energije

Regulaciju induktivnosti vrše tiristorske grupe VSčije su kontrolne elektrode spojene na upravljački krug. Prednosti statičkog RPM-a su odsustvo rotirajućih dijelova, relativna glatkoća regulacije reaktivne snage koja se dovodi u mrežu, mogućnost trostrukog i četverostrukog preopterećenja jalove snage. Nedostaci uključuju pojavu viših harmonika, koji se mogu javiti uz dubinsku regulaciju reaktivne snage.

Zbog dodatnih gubitaka snage u mreži uzrokovanih potrošnjom reaktivne snage povećava se ukupna potrošnja električne energije. Stoga je smanjenje tokova reaktivne snage jedan od glavnih zadataka u radu električnih mreža.