Eksperimenti s aktivnom i jalovom snagom za lutke. Pojmovi aktivne, prividne i jalove snage

Pri izračunu električne snage koju troši bilo koji električni ili kućanski uređaj obično se uzima u obzir takozvana ukupna snaga električne struje, koja obavlja određeni rad u krugu zadanog opterećenja. Izraz "prividna snaga" označava svu snagu koju troši električni uređaj i uključuje i aktivnu i reaktivnu komponentu, koja je zauzvrat određena vrstom opterećenja korištenog u krugu. 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 aktivne i reaktivne komponente električne struje.

Aktivna komponenta potrošena bilo kojim opterećenjem, snaga električne struje obavlja koristan rad i pretvara se u vrste energije koje su nam potrebne (toplina, svjetlost, zvuk itd.). Pojedinačni električni uređaji rade uglavnom na ovoj komponenti napajanja. To su žarulje sa žarnom niti, električni štednjaci, grijalice, električne pećnice, glačala itd.
Uz vrijednost aktivne potrošnje energije od 1 kW naznačenu u putovnici uređaja, on će potrošiti punu snagu od 1 kVA iz mreže.

Reaktivna komponenta električna struja nastaje samo u krugovima koji sadrže reaktivne elemente (induktivitet i kapacitet) i obično se troši na beskorisno zagrijavanje vodiča koji čine ovaj krug. Primjeri takvih reaktivnih opterećenja su elektromotori raznih vrsta, prijenosni električni alati (električne bušilice, brusilice, glodači za zidove i sl.), kao i razni kućanski elektronički uređaji. Prividna snaga ovih uređaja, mjerena u volt-amperima, i aktivna snaga (u vatima) međusobno su povezane kroz faktor snage cosφ, koji može imati vrijednost od 0,5 do 0,9. Ovi uređaji obično označavaju aktivnu snagu u vatima i vrijednost koeficijenta cosφ. Za određivanje ukupne potrošnje energije u VA, aktivna snaga (W) mora se podijeliti s faktorom cosφ.

Primjer: ako je na električnoj bušilici naznačena vrijednost snage od 600 W i cosφ = 0,6, onda slijedi da je ukupna snaga koju alat troši 600 / 0,6 = 1000 VA. U nedostatku podataka o cosφ, možete uzeti njegovu približnu vrijednost, koja za kućanski električni alat iznosi približno 0,7.

Kada se razmatra pitanje aktivne i reaktivne komponente električne energije (točnije, njezine snage), obično mislimo na one pojave koje se javljaju u krugovima izmjenične struje. Pokazalo se da se različita opterećenja u AC krugovima ponašaju potpuno različito. Neka opterećenja koriste energiju koju prenose za svoju namjenu (tj. za obavljanje korisnog rada), dok druga vrsta opterećenja tu energiju prvo pohranjuje, a zatim je vraća u napajanje.

Po vrsti ponašanja u krugovima izmjenične struje različita potrošačka opterećenja dijele se u sljedeće dvije vrste:

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

2. Vrsta reaktivnog opterećenja karakterizira činjenica da u početku (u određenom vremenskom razdoblju) akumulira energiju koju dovodi izvor napajanja. Zatim se pohranjena energija (unutar određenog vremenskog razdoblja) vraća ovom izvoru. Takva opterećenja uključuju elemente električnih krugova kao što su kondenzatori i induktori, kao i uređaji koji ih sadrže. Štoviše, u takvom opterećenju postoji fazni pomak od 90 stupnjeva između napona i struje. Budući da je glavna svrha postojećih sustava opskrbe električnom energijom korisna isporuka električne energije od proizvođača izravno do potrošača (a ne pumpanje naprijed-natrag), reaktivna komponenta snage obično se smatra štetnom karakteristikom strujnog kruga.

Gubici na reaktivnoj komponenti u mreži izravno su povezani s vrijednošću faktora snage razmatranog gore, t.j. što je veći cosφ potrošača, manji će gubici snage u vodovu biti i jeftiniji prijenos električne energije do potrošača.
Dakle, faktor snage nam govori koliko se učinkovito 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 se za povećanje faktora snage (smanjenjem faznog pomaka između struje i napona - kut φ) u radnu mrežu uključuju posebni kompenzacijski uređaji, koji su pomoćni generatori napredne (kapacitivne) struje.
Osim toga, vrlo često za kompenzaciju gubitaka koji proizlaze iz induktivne komponente kruga, u njemu se koriste kondenzatorske banke, povezane paralelno s radnim opterećenjem i koriste se kao sinkroni kompenzatori.

Kao i u općoj teoriji oscilatornog gibanja, vektorski dijagrami su od velike koristi u teoriji izmjeničnih struja. Očito je da sinusno promjenjiva elektromotorna sila

može se prikazati kao projekcija na ordinatu vektora koji se vrti u smjeru suprotnom od kazaljke na satu kutnom brzinom, čija je duljina jednaka i čiji se početni položaj u ovom trenutku podudara s osi apscise.

Zapitajmo se kako će struja koja teče pod utjecajem sinusoidne elektromotorne sile kroz zavojnicu s induktivitetom biti prikazana u vektorskom dijagramu

Riža. 341. Vektorski dijagram za slučaj induktivnog otpora.

Riža. 342. Vektorski dijagram za slučaj kapacitivnog otpora.

Vidjeli smo da struja u ovom slučaju zaostaje za naponom za četvrtinu perioda. Zaostajanje za četvrtinu perioda bit će predstavljeno u vektorskom dijagramu zaostatkom vektora struje za tako da će vektor "induktivne" struje biti okomit na vektor napona (slika 341), zaostajati za njim za 90 Veličina ovog vektora

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

Za slučaj aktivnog omskog otpora, struja je u fazi s naponom. To znači da se vektor struje podudara u smjeru s vektorom napona, a njegova veličina je, naravno, određena Ohmovim zakonom.

Struja, čiji se vektor podudara s vektorom napona, naziva se aktivnom strujom. Struje čiji vektori zaostaju za vektorom napona ili ispred njega nazivaju se reaktivne struje. Izbor ovog naziva objašnjava se činjenicom da su aktivne struje te koje određuju potrošnju energije kruga izmjenične struje, dok generator troši istu količinu tijekom svake četvrtine razdoblja za pobuđivanje jalove struje (tj. struja). koja zaostaje za naponom ili ispred njega za četvrtinu perioda) energije, koliko u sljedećoj četvrtini perioda ta jalova struja vraća generatoru (vidi sliku 337); rezultat je da jalova struja ne radi.

Općenito, kada je fazni pomak između struje i napona određen kutom (u radijanima), rad izmjenične struje u cjelobrojnom (ili polucijelom) broju razdoblja proporcionalan je

Doista, neka struja zaostaje za naponom za kut

Tada je rad struje za razdoblje određen integralom

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

Ako unesemo efektivne vrijednosti struje i napona, onda

Dakle, kod čisto reaktivnih struja, snaga koja se prenosi kroz električni krug od generatora do opterećenja je u prosjeku nula.

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

U mnogim slučajevima su potrebne jalove struje. Dakle, ako elektromagnet opskrbimo izmjeničnom strujom, namijenjenom, recimo, podizanju željeznih predmeta, tada će zavojnica elektromagneta, budući da je u idealnom slučaju čisto induktivni otpor, trošiti jalove struje iz mreže, koja zaostaje za napon mreže po

Međutim, u većini slučajeva, osobito pri opskrbi transformatora koji služe za pretvaranje izmjeničnih napona, važna je aktivna struja, koja nastaje pri opterećenju sekundarnog namota transformatora (§ 84). Jalova struja, koja je neophodna za stvaranje magnetskog polja u jezgri transformatora, u biti je pomoćna; ne obavlja izravno nikakav koristan posao.

Pretpostavimo da je veliki broj transformatora spojen na mrežu, kao što je često slučaj. Svaki od njih vuče poznatu reaktivnu struju kako bi stvorio magnetsko polje u jezgri. To značajno smanjuje faktor snage instalacije.

Međutim, moguće je postići podudarnost vektora struje s vektorom napona, koristeći fenomen rezonancije (§ 83). Za to je, osim transformatora, u mrežu uključen i kapacitet C, koji je odabran tako da je njegova jalova struja jednaka ukupnoj jalove struje transformatora.

Tada će u vanjskom krugu teći samo aktivna struja, dok se jalove struje transformatora i kapacitivnost međusobno kompenziraju. Oni će kružiti samo u krugu: kapacitet - namoti transformatora, bez odlaska u opskrbnu mrežu i u generator elektrane. Za opskrbni vod i za generator elektrane i njihovi radni uvjeti bit će najpovoljniji.

Ovaj događaj je od velike ekonomske važnosti. Sasvim je jasno da elektrana i dalekovodi, koji nisu opterećeni beskorisnom jalovnom strujom, mogu biti više opterećeni aktivnim strujama.

Treba napomenuti da koncept jalove struje kao struje čija je faza pomaknuta u odnosu na napon i koja, dakle, u prosjeku ne obavlja nikakav rad i nije popraćena rasipanjem energije (za zagrijavanje žica), naravno, je idealizacija (shematsko pojednostavljenje) procesa koji se događaju u stvarnosti kada izmjenična struja teče kroz zavojnice ili kondenzatore. Zaključak da se faze struja koje prolaze kroz zavojnicu ili kondenzator razlikuju od faze napona za 90° bio bi točan samo ako prolazak tih struja nije povezan s zagrijavanjem žica i drugim gubicima (kao što je sugerirano u prethodnom stavku ). Ali struja koja prolazi kroz zavojnicu, u odnosu na zagrijavanje žica, koje se događa prema Joule-Lenzovom zakonu, ni na koji način se ne razlikuje od aktivne struje iste frekvencije (i na visokoj frekvenciji otpor namota zavojnice zbog skin efekta može se pokazati značajnim).

Osim toga, dio struje struje se raspršuje zbog gubitaka na histerezi u jezgri zavojnice (ako ih ima) i Foucaultovih struja u okolnim vodičima, na primjer, u metalnim "zaslonima" u koje su smještene zavojnice radio uređaja. Također može doći do curenja struje zbog nesavršene izolacije itd. Gubici struje struje, ali obično manji nego u zavojnicama, također se opažaju kada struja prolazi kroz kondenzatore. U ovom slučaju oni su uglavnom uzrokovani određenim vremenskim odmakom od jakosti polja polarizacije dielektrika (u onom njegovom dijelu na koji utječe

utjecaj molekularno-toplinskog kretanja), kao i ponekad prisutnost malih ionskih vodljivih struja u dielektriku kondenzatora.

Zbog gubitaka struja kroz zavojnicu ili kondenzator nikada nije čisto reaktivna, odnosno fazni pomak u odnosu na napon nikada nije točno jednak i uvijek se pokaže manjim od kuta koji se naziva vrhom gubitka. Pod djelovanjem napona u idealnoj zavojnici, morala bi teći čisto reaktivna struja s amplitudom - zapravo, kao što je prikazano na kraju sljedećeg odlomka (u obliku objašnjenja generaliziranog Ohmova zakona koji je tamo izveden), struja se pobuđuje amplitudom koja se smanjuje zbog gubitaka na vrijednost ove stvarne struje kroz zavojnicu je zbroj aktivne struje i jalove struje koja nastaje zbog gubitaka

s amplitudom koja se smanjuje na vrijednost koju sa Sl. 343. Prema sl. 343

Riža. 343. Zbog gubitaka amplituda struje kroz svitak opada na vrijednost a amplituda jalove struje - na vrijednost gdje je kut gubitaka.

Slični odnosi i isti dijagram vrijede za struju kroz kondenzator. Budući da je aktivna struja struja čija se faza poklapa s naponom, očito je da je snaga koja se gubi uslijed gubitaka jednaka Ista snaga će se raspršiti u krugu sastavljenom od idealnog svitka s istim induktivitetom i nekim otporom spojenim u niz s njim (koji se naziva otpornost na gubitke), ako je taj otpor određen upravo iz uvjeta jednakosti raspršenih snaga:

Kao što je gore navedeno,

Stoga ispada da

Zamjenom ove vrijednosti amplitude aktivne struje u gornji izraz za tangent kuta gubitka dolazimo do formule koja se smatra glavnom pri analizi utjecaja gubitaka na način rada izmjenične struje u električnim krugovima:

Sa stajališta izvođenja ove formule, jasno je da sličan odnos vrijedi i za tangent kuta gubitka u krugu s kondenzatorom

U radiotehničkim izračunima često se koristi recipročna vrijednost tangente gubitka, koja se naziva zaslugom električnog kruga (vidi stranice 460 i 485):

Gubici u zavojnicama velikog induktiviteta uvelike ovise o dizajnu i magnetskim svojstvima jezgre i dizajnu namota. Uz ispravan dizajn, gubici jezgre i namota (koji ne ovise jednako o frekvenciji) trebaju biti što je moguće jednakiji.

Kako bi se smanjili gubici uslijed Foucaultovih struja, jezgre se regrutiraju od tankih listova transformatorskog željeza (debljine 0,5-0,35 mm), prekrivenih tankim (0,05 mm) slojem laka kako bi se izolirale jedna od druge. Gubici u takvim jezgrama iznose oko po kilogramu mase jezgre. Poprečni presjek žica odabire se uzimajući u obzir povećanje njihovog otpora zbog efekta kože, tako da su tijekom rada gubici u namotu približno jednaki gubicima u jezgri. Ukupni gubici u jezgri i namotu transformatora velike snage (reda 3-4%, a kod transformatora velike snage (reda nekoliko desetina postotka)

Gubici u malim transformatorima laboratorijskog tipa i u "energetskim" transformatorima koji se koriste u radijskoj opremi obično nisu manji od 10-12% (češće oko. Još veći dio snage (obično 30%) čine gubici u prigušnicama i transformatori pojačala audio frekvencije.namotaj transformatora za audiofrekventne struje sastoji se od 2000-5000 zavoja i ima induktivitet

Zavojnice radiofrekvencijskih rezonantnih krugova imaju induktivitet reda tisućinki (a za kratke valove milijunti dio) Henrija. Ovu induktivnost stvara relativno mali broj zavoja žice bez feromagnetske jezgre. S tim u vezi, gubici u zavojnicama radio frekvencije su mali - oko 1% (tangent kuta gubitka je od 0,02 do 0,005).

Gubici u kondenzatorima (s izuzetkom elektrolitskih kondenzatora) obično ne prelaze što odgovara tangentu kuta gubitka U elektrolitskim kondenzatorima tangent kuta gubitka može doseći 0,2.

Među najboljim izolatorima (s otporom reda ohm-cm) ističu se po najmanjoj vrijednosti tangenta gubitka: topljeni kvarc, liskun-muskovit, parafin i polistiren; za njih

Jalova snaga i energija smanjuju performanse elektroenergetskog sustava, odnosno opterećenje generatora elektrana jalovim strujama povećava potrošnju goriva; povećavaju se gubici u opskrbnim mrežama i prijamnicima, povećava se pad napona u mrežama.

Jalova struja dodatno opterećuje električne vodove, što dovodi do povećanja poprečnih presjeka žica i kabela i, sukladno tome, do povećanja kapitalnih troškova za vanjske i mreže na licu mjesta.

Kompenzacija jalove snage, u ovom trenutku, važan je čimbenik koji omogućuje rješavanje pitanja uštede energije u gotovo svakom poduzeću.

Prema procjenama domaćih i vodećih stranih stručnjaka, udio energetskih resursa, a posebno električne energije, čini oko 30-40% troškova proizvodnje. Ovo je dovoljno jak argument da menadžer ozbiljno shvati analizu i reviziju potrošnje energije i razvoj metode za kompenzaciju jalove snage. Kompenzacija jalove snage ključ je za očuvanje energije.

Potrošači jalove snage

Glavni potrošači jalove snage- koji troše 40% ukupne električne energije zajedno s kućanskim i vlastitim potrebama; električne pećnice 8%; pretvarači 10%; transformatori svih stupnjeva transformacije 35%; dalekovodi 7%.

U električnim strojevima s namotima je povezan izmjenični magnetski tok. Kao rezultat toga, reaktivna emf inducira se u namotima kada teče izmjenična struja. uzrokujući fazni pomak (fi) između napona i struje. Ovaj fazni pomak se obično povećava i smanjuje s laganim opterećenjem. Na primjer, ako je cos phi motora na izmjeničnu struju pri punom opterećenju 0,75-0,80, tada će se pri malom opterećenju smanjiti na 0,20-0,40.

Transformatori niskog opterećenja su također niski (cos phi). Stoga će, primjenom kompenzacije jalove snage, rezultirajući kosinus phi elektroenergetskog sustava biti nizak, a struja električne energije, bez kompenzacije jalove snage, će se povećati pri istoj aktivnoj snazi ​​koja se troši iz mreže. Sukladno tome, kod kompenzacije jalove snage (koristeći automatske kondenzatorske jedinice KRM), struja koja se troši iz mreže smanjuje se, ovisno o kosinus phi, za 30-50%, odnosno smanjuje se zagrijavanje vodljivih žica i starenje izolacije .

Osim, jalovu snagu uz aktivnu snagu uzima u obzir isporučitelj električne energije, te se stoga plaća prema važećim tarifama, stoga čini značajan dio računa za električnu energiju.

Struktura potrošača jalove snage u elektroenergetskim sustavima (prema instaliranoj aktivnoj snazi):

Ostali pretvarači: izmjenična struja u istosmjernu struju, struja industrijske frekvencije u struju visoke ili niske frekvencije, opterećenje peći (indukcijske peći, lučne peći za proizvodnju čelika), zavarivanje (transformatori za zavarivanje, jedinice, ispravljači, točkasti, kontaktni).

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

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

Načini smanjenja potrošnje jalove snage. Kompenzacija jalove snage

Najučinkovitiji i najučinkovitiji način smanjenja jalove snage potrošene iz mreže je korištenje jedinica za kompenzaciju jalove snage(kondenzacijske jedinice).

Korištenje kondenzatorskih jedinica za kompenzaciju jalove snage omogućuje:

• rasteretiti dalekovode, transformatore i razvodne uređaje;

• smanjiti račune za struju

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

• potisnuti šum mreže, smanjiti faznu neravnotežu;

• učiniti distribucijske mreže pouzdanijim i ekonomičnijim.
  

Kao što znate, alternator stvara dvije vrste električne energije - aktivnu i reaktivnu. Aktivna energija se troši u električnim pećima, svjetiljkama, električnim strojevima i drugim potrošačima, prelazeći u druge vrste energije - toplinsku, svjetlosnu, mehaničku. Reaktivnu energiju potrošači ne troše i vraća se kroz dovod u generator. To podrazumijeva povećanje struje koja teče kroz ES, i, sukladno tome, zahtijeva povećanje njihove površine poprečnog presjeka.

Kompenzacija jalove snage

U električnim krugovima koji sadrže kombinirane otpore (opterećenje), posebice aktivne (žarulje sa žarnom niti, električni grijači, itd.) i induktivne (elektromotori, razdjelni transformatori, oprema za zavarivanje, fluorescentne svjetiljke, itd.) komponente, ukupna snaga preuzeta iz mreže, može se izraziti sljedećim vektorskim dijagramom:

Fazni zaostatak struje u fazi s naponom u induktivnim elementima određuje 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 tom se slučaju električna energija pohranjena u svakom induktivnom elementu širi kroz mrežu, ne raspršujući se u aktivnim elementima, već čineći oscilatorna kretanja (od opterećenja do generatora i obrnuto). Odgovarajuća snaga naziva se jalova snaga.

Ukupna snaga je zbroj aktivne snage, koja obavlja koristan rad, i jalove snage koja se troši za stvaranje magnetskih polja i stvaranje dodatnog opterećenja na vodova za napajanje. Omjer ukupne i aktivne snage, izražen kroz kosinus kuta između njihovih vektora, naziva se faktor snage (faktor).

Aktivna energija se pretvara u korisnu energiju – mehaničku, toplinsku i drugu energiju. Jalova energija nije povezana s korisnim radom, ali je potrebno stvoriti elektromagnetsko polje čija je prisutnost preduvjet za rad elektromotora i transformatora. Potrošnja jalove snage iz organizacije za opskrbu je nepraktična, jer dovodi do povećanja snage generatora, transformatora, poprečnog presjeka dovodnih kabela (smanjenje propusnosti), kao i povećanja aktivnih gubitaka i pada u naponu (zbog povećanja jalove komponente struje opskrbne mreže). Stoga se jalova snaga mora dobiti (generirati) izravno od potrošača. Ovu funkciju obavlja jedinice za kompenzaciju jalove snage (KRM), čiji su glavni elementi kondenzatori.

KRM instalacije su električni prijemnici s kapacitivnom strujom, koji tijekom rada generiraju vodeću jalove snage (struja u fazi je ispred napona) kako bi se kompenzirala zaostala jalova snaga koju stvara induktivno opterećenje.

Jalova snaga Q proporcionalna je jalove struje koja teče kroz induktivni element:
Q = U x IL,
gdje je IL - reaktivna (induktivna) struja, U - napon mreže. Dakle, ukupna struja koja opskrbljuje opterećenje je zbroj aktivne i induktivne komponente:
I = IR + IL.
Kako bi se smanjio udio jalove struje u sustavu "generator-opterećenje", kompenzatori se spajaju paralelno s opterećenjem (KRM instalacije). U tom se slučaju jalova snaga više ne kreće između generatora i opterećenja, već vrši lokalne oscilacije između jalovih elemenata – induktivnih namota opterećenja i kompenzatora. Takva kompenzacija jalove snage (smanjenje induktivne struje u sustavu generator-opterećenje) omogućuje, posebno, prijenos na opterećenje veće aktivne snage pri istoj nazivnoj prividnoj snazi ​​generatora.

Zašto je potrebna kompenzacija jalove snage?

Glavno opterećenje u industrijskim energetskim mrežama su asinkroni motori i distribucijski transformatori. Ovo induktivno opterećenje tijekom rada je izvor jalove električne energije (jalove snage), koja oscilira između opterećenja i izvora (generatora), nije povezana s obavljanjem korisnog rada, već se troši na stvaranje elektromagnetskih polja i stvara dodatno opterećenje. na vodovima napajanja.
Jalova snaga karakterizira kašnjenje (u induktivnim elementima fazna struja zaostaje za naponom) između sinusoida faza napona i struje mreže. Pokazatelj potrošnje jalove snage je faktor snage (KM), brojčano jednak kosinusu kuta (f) između struje i napona. KM potrošača definira se kao omjer potrošene aktivne snage i ukupne, stvarno preuzete iz mreže, tj.: cos (f) = P / S. Ovaj koeficijent je uobičajen za karakterizaciju razine jalove snage motora, generatora i mreže poduzeća u cjelini. Što je vrijednost cos (f) bliža jedinici, manji je udio jalove snage preuzete iz mreže.

Primjer: pri cos (f) = 1 za prijenos 500 KW u izmjeničnoj struji od 400 V potrebna je struja od 722 A. Za prijenos iste aktivne snage s faktorom cos (f) = 0,6, vrijednost struje raste do 1203. godine.

• dodatni gubici nastaju u vodičima zbog povećanja struje;
• smanjuje se propusnost distribucijske mreže;
• mrežni napon odstupa od nazivnog (pad napona zbog povećanja jalove komponente struje mreže).

Sve navedeno glavni je razlog zašto elektroenergetske tvrtke zahtijevaju od potrošača smanjenje udjela jalove snage u mreži.
Rješenje ovog problema je kompenzacija jalove snage - važan i neophodan uvjet za ekonomično i pouzdano funkcioniranje sustava opskrbe električnom energijom poduzeća. Ovu funkciju obavlja uređaji za kompenzaciju jalove snage (KRM-kondenzatorske jedinice) , čiji su glavni elementi kondenzatori.

Ispravna kompenzacija jalove snage omogućuje:

• smanjiti ukupne troškove energije;
• smanjiti opterećenje elemenata distribucijske mreže (opskrbne vodove, transformatore i razvodne uređaje), čime se produljuje njihov vijek trajanja;
• smanjiti gubitke topline struje i električne energije;
• smanjiti utjecaj viših harmonika;
• potisnuti šum mreže, smanjiti faznu neravnotežu;
• za postizanje veće pouzdanosti i učinkovitosti distribucijskih mreža.

Osim toga, u postojećim mrežama omogućuje:

• isključiti stvaranje jalove energije u mrežu tijekom sati minimalnog opterećenja;
• smanjiti troškove popravka i obnove parka električne opreme;
• povećati propusnost potrošačkog sustava napajanja, što će omogućiti povezivanje dodatnih opterećenja bez povećanja troškova mreža;
• pružiti informacije o parametrima i stanju mreže,

a u novostvorenim mrežama - smanjiti snagu trafostanica i presjeka kabelskih vodova, što će smanjiti njihovu cijenu.

Gdje je potrebna kompenzacija jalove snage

Jedan od glavnih smjerova smanjenja gubitaka električne energije i povećanja učinkovitosti električnih instalacija industrijskih poduzeća je kompenzacija jalove snage uz istovremeno povećanje kvalitete električne energije izravno u mrežama poduzeća. Niži faktor snage cos (f) s istim aktivnim opterećenjem električnih prijamnika, veći je gubitak snage i pad napona u elementima sustava napajanja. Stoga uvijek trebate nastojati postići najveću vrijednost faktora snage.
Za rješavanje ovog problema koriste se kompenzacijski uređaji tzv jedinice za kompenzaciju jalove snage (KRM), čiji su glavni elementi kondenzatori. Korištenje KRM instalacija omogućuje isključenje plaćanja potrošnje iz mreže i proizvodnje jalove snage u mrežu, dok je iznos plaćanja za utrošenu energiju određen tarifama EES-a značajno smanjen.
Primjena KRM instalacija efikasno u poduzećima u kojima se koriste alatni strojevi, kompresori, pumpe, transformatori za zavarivanje, električne peći, postrojenja za elektrolizu i drugi potrošači energije s naglo promjenjivim opterećenjima, odnosno u metalurškoj, rudarskoj, prehrambenoj industriji, u strojarstvu, obradi drva i proizvodnji građevinski materijali – 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 potrebno u poduzećima koja koriste:

• Asinkroni motori (cos (f) ~ 0,7);
• Asinkroni 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);
• Vodene pumpe (cos (f) ~ 0,8);
• Kompresori (cos (f) ~ 0,7);
• Strojevi, alatni strojevi (cos (f) ~ 0,5);
• Transformatori za zavarivanje (cos (f) ~ 0,4);
• Dnevne svjetiljke (cos (f) ~ 0,5-0,6).

Smanjenje veličine prividne snage pri kompenzaciji jalove snage:

* podaci dobiveni na temelju generaliziranog radnog iskustva KRM instalacija

Za praksu je bitna činjenica da se reaktivno opterećenje induktivne prirode može kompenzirati paralelnim spajanjem kapacitivnog opterećenja. Pomnim ispitivanjem, ovaj fenomen postaje očit: zaostala struja induktivne grane takvog kruga kompenzira se vodećom strujom kapacitivne grane. Pravilnim odabirom kapacitivnosti, zaostajanje struje u krugu može se gotovo u potpunosti nadoknaditi (cos f = 1). Kondenzatori spojeni paralelno s induktivnim opterećenjem radi kompenzacije njegovog PM-a nazivaju se kompenzacijskim ili kosinusnim (budući da služe za povećanje cos f elektrane).

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 transformatorskih podstanica, distribucijskih točaka itd., spojenih na početak svake grupne linije. Ova metoda je prikladna za velike ES.

Zašto vam je potrebna kompenzacija jalove snage u električnim distribucijskim mrežama

Aktivnu snagu generiraju samo generatori elektrana. Jalu snagu generiraju generatori elektrana (sinkroni motori elektrana u načinu preuzbuđenja), kao i kompenzacijski uređaji (na primjer, kondenzatorske banke).
Prijenos jalove snage od generatora kroz električnu mrežu do potrošača (induktivnih prijamnika energije) uzrokuje potrošnju aktivne snage u mreži u obliku gubitaka i dodatno opterećuje elemente električne mreže, smanjujući njihovu ukupnu propusnost.
Na primjer, generator nazivne snage 1250 kVA pri nazivnom faktoru snage cosφ = 0,8 može potrošaču dati aktivnu snagu jednaku 1250 × 0,8 = 1000 kW. Ako će generator raditi s cosφ = 0,6, tada će aktivna snaga jednaka 1250 × 0,6 = 750 kW biti isporučena u mrežu (aktivna snaga je nedovoljno iskorištena za četvrtinu).
Stoga je u pravilu nerazumno povećavati izlaz jalove snage od strane generatora stanica kako bi je isporučili potrošačima. Najveći ekonomski učinak postiže se kada se kompenzacijski uređaji (generacija jalove snage) postavljaju u blizini induktivnih prijamnika energije koji troše jalove snage.

Indukcijski prijamnici energije ili potrošači jalove snage

• Transformator. Jedna je od glavnih karika u prijenosu električne energije od izvora električne energije do potrošača i dizajnirana je za pretvaranje jednog napona pomoću elektromagnetske indukcije sustava izmjenične struje u sustav izmjenične struje drugog napona konstantne frekvencije. i bez značajnijih gubitaka snage.
• Asinkroni motor. Asinkroni motori, uz aktivnu snagu, troše i do 65% jalove snage elektroenergetskog sustava.
• Indukcijske peći. To su veliki električni prijemnici koji za svoj rad zahtijevaju veliku količinu jalove snage. Indukcijske peći frekvencije snage često se koriste za taljenje metala.
• Pretvorbene instalacije koje pretvaraju izmjeničnu struju u istosmjernu pomoću ispravljača. Ove instalacije imaju široku primjenu u industrijskim postrojenjima i željezničkom prometu pomoću istosmjerne struje.
• Društvena i kućna sfera. Povećanje broja različitih električnih pogona, uređaja za stabilizaciju i pretvaranje, korištenje poluvodičkih pretvarača dovodi do povećanja potrošene jalove snage, a to zauzvrat utječe na rad drugih električnih prijemnika, smanjuje njihov vijek trajanja i stvara dodatne gubitke energije. Moderne fluorescentne (tzv. štedljive) žarulje koje se sve više koriste u stanovima i uredima također su potrošači jalove snage.

Do čega dovodi nedostatak kompenzacije jalove snage za pretplatnike?

• Za transformatore pri smanjenju cosφ kapacitet prijenosa aktivne snage smanjuje se zbog povećanja jalove opterećenja.
• Povećanje pune snage uz smanjenje cosφ dovodi do povećanja struje, a time i gubitaka snage, koji su proporcionalni kvadratu struje.
• Povećanje struje zahtijeva povećanje presjeka žica i kabela, a kapitalni troškovi za električne mreže rastu.
• Povećanje struje kada se smanjuje cosφ dovodi do povećanja gubitka napona u svim karikama elektroenergetskog sustava, što uzrokuje smanjenje napona za potrošače.
• U industrijskim postrojenjima pad napona remeti normalan rad električnih prijemnika. Smanjuje se učestalost rotacije elektromotora, što dovodi do smanjenja produktivnosti radnih strojeva, smanjuje se produktivnost električnih peći, pogoršava se kvaliteta zavarivanja, smanjuje se svjetlosni tok svjetiljki, smanjuje se propusnost tvorničkih električnih mreža i zbog toga se kvaliteta proizvoda pogoršava.

i zbroj je dviju veličina, od kojih je jedna konstantna u vremenu, a druga pulsira dvostrukom frekvencijom.

Zločin p (t) tijekom razdoblja T naziva se aktivna snaga i potpuno je određena prvim članom jednadžbe (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 prijemnici pretvara se u druge vrste energije: mehaničku, toplinsku, energiju komprimiranog zraka i plina itd.

Prosječna vrijednost drugog člana trenutne snage (1.1) (pulsira dvostrukom frekvencijom) za vrijeme T jednaka je nuli, odnosno njegovo stvaranje ne zahtijeva nikakve materijalne troškove i stoga ne može obavljati koristan rad. Međutim, njegova prisutnost ukazuje na to da se između izvora i prijemnika odvija reverzibilni proces izmjene energije. To je moguće ako postoje elementi sposobni akumulirati i odavati elektromagnetsku energiju - kapacitivnost i induktivnost. Ova komponenta karakterizira jalove snage.

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

Jedinica prividne snage S = UI - VA.

Jalova snaga- vrijednost koja karakterizira opterećenja koja nastaju u električnim uređajima fluktuacijama (razmjenom) energije između izvora i prijamnika. Za sinusnu struju, ona je jednaka umnošku efektivnih vrijednosti struje ja i napon U sinusom faznog kuta između njih: P = korisničko sučelje sinφ. Mjerna jedinica je VAR.

Jalova snaga nije povezana s korisnim radom elektromotora i troši se samo na stvaranje izmjeničnih elektromagnetskih polja u elektromotorima, transformatorima, aparatima, vodovima itd.

Za jalove snage prihvaćeni su koncepti kao što su proizvodnja, potrošnja, prijenos, gubici, ravnoteža. Vjeruje se da ako struja zaostaje za naponom u fazi (induktivna priroda opterećenja), tada se jalova snaga troši i ima pozitivan predznak, a ako je struja ispred napona (kapacitivna priroda opterećenja), tada se stvara jalova snaga i ima negativnu vrijednost.

Glavni potrošači jalove snage u industrijskim poduzećima su asinkroni 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. Jalove snage stvaraju sinkroni generatori elektrana, sinkroni kompenzatori, sinkroni motori (regulacija struje uzbude), kondenzatorske baterije (BC) i dalekovodi.

Jalova snaga proizvedena kapacitetom mreža ima sljedeći red veličine: nadzemni vod od 20 kV stvara 1 kvar na 1 km trofaznog voda; podzemni kabel 20 kV - 20 kvar / km; nadzemni vod 220 kV - 150 kvar / km; podzemni kabel 220 kV - 3 MVAr / km.

Faktor snage i faktor jalove snage.

Vektorski prikaz veličina koje karakteriziraju stanje mreže dovodi do prikaza jalove snage P vektor okomit na vektor aktivne snage R(sl.5.2). Njihov vektorski zbroj daje punu kardinalnost S.

Riža. 5.1. Trokut snage

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

Glavni standardni pokazatelj koji karakterizira jalove snage prije je bio faktor snage cosφ. Na ulazima koji opskrbljuju industrijsko poduzeće, ponderirana prosječna vrijednost ovog koeficijenta trebala je biti u rasponu od 0,92-0,95. Međutim, izbor omjera P/S kao normativna ne daje jasnu predodžbu o dinamici promjena stvarne vrijednosti jalove snage. Na primjer, kada se faktor snage promijeni s 0,95 na 0,94, jalova snaga se mijenja za 10%, a kada se isti faktor promijeni s 0,99 na 0,98, prirast jalove snage je već 42%. U proračunima je prikladnije raditi s relacijom tanφ = Q/P, koji se naziva faktor jalove snage.

Utvrđuju se poduzeća s priključnom snagom većom od 150 kW (bez "kućanskih" potrošača) granične vrijednosti faktora jalove snage potrošeno u satima velikih dnevnih opterećenja električne mreže - od 7 do 23 sata (Naredba Ministarstva industrije i energetike Ruske Federacije od 22. veljače 2007. br. 49 "O postupku izračunavanja vrijednosti omjer potrošnje aktivne i jalove snage za pojedinačne prijamnike električne energije potrošača koji se koriste za utvrđivanje obveza stranaka u ugovorima o pružanju usluga za prijenos električne energije").

Granične vrijednosti faktora jalove snage (tgφ) standardizirani su ovisno o položaju točke (napona) priključenja potrošača na mrežu. Za napon mreže od 100 kV tgφ = 0,5; za mreže 35, 20, 6 kV - tgφ = 0,4 i za mreže 0,4 kV - tgφ = 0,35.

Uvođenje novih direktiva o kompenzaciji jalove snage imalo je za cilj povećanje učinkovitosti cjelokupnog elektroenergetskog sustava od generatora elektroenergetskog sustava do prijamnika električne energije.

Uvođenjem faktora jalove snage postalo je moguće prikazati gubitke aktivne snage kroz aktivnu ili jalove snage: R= (P 2 / U 2) R(l + tg 2 φ).

Kut između vektora snage R i S odgovara kutu φ između vektora aktivne komponente struje ja a i ukupna struja ja, što je, pak, vektorski zbroj aktivne struje ja a, u fazi s naponom i jalove struje ja p, koji se nalazi pod kutom od 90 ° prema njemu. Ovakav raspored struja je proračunska tehnika povezana s razgradnjom na aktivnu i jalu snagu, što se može smatrati prirodnim.

Većina potrošača treba jalove snage jer funkcioniraju promjenom magnetskog polja. Za najčešće motore u normalnom radu mogu se dati sljedeće približne vrijednosti tgφ.

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

Sinkroni strojevi imaju sposobnost trošenja ili isporuke jalove snage ovisno o stupnju uzbude.

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

Sinkroni motori proizvedeni u domaćoj industriji dizajnirani su za vodeći faktor snage (cosφ = 0,9) i za nazivno aktivno opterećenje P nom i naponom U nom može generirati nazivnu jalove snage P nom ≈ 0,5 P Ne.

Uz podopterećenje LED diode u smislu aktivne snage β = P / P ne m< 1 возможна перегрузка по реактивной мощности α = P/P nom> 1.

Prednost SM-a koji se koristi za kompenzaciju jalove snage u odnosu na KB je mogućnost glatke regulacije generirane jalove snage. Nedostatak je što su aktivni gubici za proizvodnju jalove snage za SM veći nego za KB.

Dodatni aktivni gubici u SM namotu uzrokovani generiranom jalovom snagom unutar raspona cosφ varijacije od 1 do 0,9 pri nazivnoj aktivnoj snazi ​​SM jednakoj P nom, kW:

R nom = P 2 soba R /U 2 broj,

gdje P nom nazivna jalova snaga SD, kV Ar; R- otpor jedne faze LED namota u zagrijanom stanju, Ohm; U nom - nazivni napon mreže, kV.

U sustavima napajanja industrijskih poduzeća projektni biroi kompenziraju jalove snage osnovnog (glavnog) dijela grafova opterećenja, a LED diode smanjuju vrhove grafova opterećenja.

Tablica 5.1

Ovisnosti faktora preopterećenja za jalove snage sinkronih motora th

Sinkroni dilatacijski spojevi.

Vrsta SD su sinkroni kompenzatori (SC), koji su SD bez opterećenja na osovini. Trenutno se proizvodi SK s kapacitetom većim od 5000 kVAr. Ograničene su uporabe u industrijskim mrežama. Za poboljšanje pokazatelja kvalitete napona u snažnim električnim pogonima s naglo izmjeničnim udarnim opterećenjima (lučne peći, valjaonice itd.), koriste se SC.

Statički tiristorski kompenzacijski uređaji.

U mrežama s oštro promjenjivim udarnim opterećenjem na naponu od 6-10 kV preporuča se koristiti ne kondenzatorske banke, već posebne brze izvore jalove snage (RPS), koje treba instalirati u blizini takvih električnih pogona. IRM shema prikazana je na sl. 5.2. Koristi induktore kao podesivi induktivitet LR i neregulirani kontejneri S 1-S 3.

Riža. 5.2. Brzi izvori jalove snage

Regulaciju induktivnosti provode tiristorske skupine VS, čije su kontrolne elektrode spojene na upravljački krug. Prednosti statičkih RRM-a su odsutnost rotirajućih dijelova, relativna glatkoća regulacije jalove snage koja se dovodi u mrežu, mogućnost trostrukog i četverostrukog preopterećenja jalove snage. Nedostaci uključuju pojavu viših harmonika, koji mogu nastati dubokom regulacijom jalove snage.

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