Опыты активная и реактивная мощность для чайников. Понятия активной, полной и реактивной мощностей

При расчете электрической мощности, потребляемой любым электротехническим или бытовым устройством, обычно учитывается так называемая полная мощность электрического тока, выполняющего определённую работу в цепи данной нагрузки. Под понятием «полная мощность» подразумевается вся та мощность, которая потребляется электроприбором и включает в себя как активную составляющую, так и составляющую реактивную, которая в свою очередь определяется типом используемой в цепи нагрузки. Активная мощность всегда измеряется и указывается в ваттах (Вт), а полная мощность приводится обычно в вольт-амперах (ВА). Различные приборы - потребители электрической энергии могут работать в цепях, имеющих как активную, так и реактивную составляющую электрического тока.

Активная составляющая потребляемой любой нагрузкой мощности электрического тока совершает полезную работу и трансформируется в нужные нам виды энергии (тепловую, световую, звуковую и т.п.). Отдельные электроприборы работают в основном на этой составляющей мощности. Это - лампы накаливания, электроплиты, обогреватели, электропечи, утюги и т.п.
При указанном в паспорте прибора значении активной потребляемой мощности в 1 кВт он будет потреблять от сети полную мощность в 1кВА.

Реактивная составляющая электрического тока возникает только в цепях, содержащих реактивные элементы (индуктивности и ёмкости) и расходуется обычно на бесполезный нагрев проводников, из которых составлена эта цепь. Примером таких реактивных нагрузок являются электродвигатели различного типа, переносные электроинструменты (электродрели, «болгарки», штроборезы и т.п.), а также различная бытовая электронная техника. Полная мощность этих приборов, измеряемая в вольт-амперах, и активная мощность (в ваттах) соотносятся между собой через коэффициент мощности cosφ, который может принимать значение от 0,5 до 0,9. На этих приборах указывается обычно активная мощность в ваттах и значение коэффициента cosφ. Для определения полной потребляемой мощности в ВА, необходимо величину активной мощности (Вт) разделить на коэффициент cosφ.

Пример: если на электродрели указана величина мощности в 600 Вт и cosφ = 0,6, то отсюда следует, что потребляемая инструментом полная мощность составляет 600/0,6=1000 ВА. При отсутствии данных по cosφ можно брать его приблизительное значение, которое для домашнего электроинструмента составляет примерно 0,7.

При рассмотрении вопроса об активной и реактивной составляющих электроэнергии (точнее - её мощности), обычно имеются в виду те явления, которые происходят в цепях переменного тока. Оказалось, что различные нагрузки в цепях переменного тока ведут себя совершенно по-разному. Одни нагрузки используют передаваемую им энергию по прямому назначению (т.е. - для совершения полезной работы), а другой тип нагрузок сначала эту энергию запасает, а потом снова отдаёт её источнику электропитания.

По виду своего поведения в цепях переменного тока, различные потребительские нагрузки делятся на следующие два типа:

1. Активный тип нагрузки поглощает всю получаемую от источника энергию и превращает её в полезную работу (свет от лампы, например), причём форма тока в нагрузке в точности повторяет форму напряжения на ней (сдвиг фаз отсутствует).

2. Реактивный тип нагрузки характеризуется тем, что сначала (в течение некоторого промежутка времени), в нём происходит накопление энергии, поставляемой источником питания. Затем запасённая энергия (в течение определённого промежутка времени) отдаётся обратно в этот источник. К подобным нагрузкам относятся такие элементы электрических цепей, как конденсаторы и катушки индуктивности, а также устройства, содержащие их. При этом в такой нагрузке между напряжением и током присутствует сдвиг фаз, равный 90 градусам. Поскольку основной целью существующих систем электроснабжения является полезная доставка электроэнергии от производителя непосредственно к потребителю (а не перекачивание её туда и обратно) - реактивная составляющая мощности обычно считается вредной характеристикой цепи.

Потери на реактивную составляющую в сети напрямую связаны с величиной рассмотренного выше коэффициента мощности, т.е. чем выше cosφ потребителя, тем меньше будут потери мощности в линии и дешевле обойдётся передача электроэнергии потребителю.
Таким образом, именно коэффициент мощности указывает нам на то, насколько эффективно используется рабочая мощность источника электроэнергии. В целях повышения величины коэффициента мощности (cosφ) во всех видах электрических установок применяются специальные приёмы компенсации реактивной мощности.
Обычно для увеличения коэффициента мощности (за счёт уменьшения сдвига фаз между током и напряжением - угла φ) в действующую сеть включают специальные компенсирующие устройства, представляющие собой вспомогательные генераторы опережающего (емкостного) тока.
Кроме того, очень часто для компенсации потерь, возникающих из-за индуктивной составляющей цепи, в ней используются батареи конденсаторов, подключаемые параллельно рабочей нагрузке и используемые в качестве синхронных компенсаторов.

Как и в общей теории колебательных движений, в теории переменных токов большую пользу приносят векторные диаграммы. Очевидно, что синусоидально изменяющуюся электродвижущую силу

можно изобразить как проекцию на ось ординат вращающегося против часовой стрелки с угловой скоростью вектора, длина которого равна и начальное положение которого в момент совпадало с осью абсцисс.

Спросим себя, как изобразится в векторной диаграмме ток, протекающий под влиянием синусоидальной электродвижущей силы через катушку, обладающую индуктивностью

Рис. 341. Векторная диаграмма для случая Индуктивного сопротивления.

Рис. 342. Векторная диаграмма для случая емкостного сопротивления.

Мы видели, что ток в этом случае отстает на четверть периода от напряжения. Отставание на четверть периода представится в векторной диаграмме отставанием вектора тока на таким образом, вектор «индуктивного» тока будет перпендикулярен к вектору напряжения (рис. 341), отставая от него на 90. Величина этого вектора

Если мы имеем дело с прохождением переменного тока через конденсатор, то ток опережает электродвижущую силу на четверть периода. Это значит, что вектор, изображающий «емкостный» ток, должен опережать вектор напряжения на (рис. 342). Величина этого вектора, как мы видели выше, определяется соотношением

Для случая активного омического сопротивления ток совпадает по фазе с напряжением. Это значит, что вектор тока совпадает по направлению с вектором напряжения, Величина его, конечно, определяется законом Ома.

Ток, вектор которого совпадает с вектором напряжения, называют активным током. Токи же, векторы которых отстают от вектора напряжения или опережают его на называют реактивными токами. Выбор такого названия объясняется тем, что именно активные токи определяют потребление мощности цепью переменного тока, тогда как на возбуждение реактивного тока (т. е. тока, который отстает от напряжения или опережает его на четверть периода) генератор расходует в течение каждой четверти периода столько же энергии, сколько в следующую четверть периода этот реактивный ток отдает генератору обратно (см. рис. 337); в итоге получается, что реактивный ток не производит работы.

В более общем случае, когда сдвиг фазы между током и напряжением определяется углом (в радианах), работа, производимая переменным током за целое (или полуцелое) число периодов, пропорциональна

Действительно, пусть ток отстает от напряжения на угол

Тогда работа тока за период определяется интегралом

а средняя мощность, потребляемая током, определяется отношением этой работы к продолжительности периода:

Если ввести эффективные значения тока и напряжения, то

При т. е. при чисто реактивных токах, мощность, передаваемая по электрической цепи от генератора к нагрузке, в среднем равна нулю.

При каких-либо заданных величинах напряжения и тока, чем меньше разность фаз между ними и соответственно чем ближе к единице, тем большая мощность передается током от генератора к нагрузке; поэтому называют коэффициентом мощности цепи.

Во многих случаях реактивные токи необходимы. Так, если переменным током мы питаем электромагнит, предназначенный, скажем, для подъема железных предметов, то катушка электромагнита, представляя собой в идеальном случае чисто индуктивное сопротивление, будет потреблять от сети реактивный ток, отстающий от напряжения сети на

Однако в большинстве случаев, в частности при питании трансформаторов, которые служат для преобразования переменных напряжений, важен активный ток, который создается при нагрузке вторичной обмотки трансформатора (§ 84). Реактивный же ток, который необходим для создания магнитного поля в сердечнике трансформатора, носит, в сущности, вспомогательный характер; он непосредственно не производит никакой полезной работы.

Предположим, что к сети подключено, как это часто бывает, большое количество трансформаторов. Каждый из них потребляет известный реактивный ток для создания магнитного поля сердечника. Это значительно ухудшает коэффициент мощности установки.

Однако есть возможность добиться совпадения вектора тока с вектором напряжения, воспользовавшись явлением резонанса (§ 83). Для этого включают в сеть, кроме трансформаторов, также и емкость С, подобрав ее так, чтобы ее реактивный ток был равен суммарному реактивному току трансформаторов.

Тогда во внешней цепи будет течь только активный ток, реактивные же токи трансформаторов и емкости взаимно компенсируют друг друга. Они будут циркулировать лишь в цепи: емкость - обмотки трансформаторов, не заходя в питающую сеть и в генератор электроцентрали. Для питающей линии и для генератора электроцентрали и условия их работы будут наивыгоднейшими.

Это мероприятие имеет существенное экономическое значение. Совершенно ясно, что электроцентраль и линии электропередачи, не загруженные бесполезным реактивным током, могут быть в большей мере загружены токами активными.

Следует отметить, что представление о реактивном токе как о токе, фаза которого сдвинута на относительно напряжения и который поэтому в среднем не производит никакой работы и не сопровождается рассеянием энергии (на нагревание проводов), конечно, является идеализацией (схематическим упрощением) процессов, происходящих в действительности при прохождении переменного тока через катушки или конденсаторы. Заключение, что фазы токов, проходящих через катушку или конденсатор, отличаются от фазы напряжения на 90°, являлось бы точным только в том случае, если бы прохождение этих токов не было связано с нагреванием проводов и другими потерями (как это было предположено в предыдущем параграфе). Но ток, проходящий через катушку, в отношении нагревания проводов, происходящего по закону Джоуля-Ленца, ничем не отличается от активного тока той же частоты (а при большой частоте сопротивление обмотки катушки вследствие скин-эффекта может оказаться значительным).

Кроме того, часть энергии тока рассеивается вследствие гистерезисных потерь в сердечнике катушки (если он имеется) и токов Фуко в окружающих проводниках, например в металлических «экранах», в которые помещают катушки радиоаппаратов. Может иметь место также утечка тока вследствие несовершенства изоляции и т. п. Потери энергии тока, но обычно меньшие, чем в катушках, наблюдаются и при прохождении тока через конденсаторы. В этом случае они вызываются главным образом некоторым отставанием во времени от напряженности поля поляризации диэлектрика (в той ее части, на которую оказывает

влияние молекулярно-тепловое движение), а также иногда наличием небольших ионных токов проводимости в диэлектрике конденсатора.

Вследствие потерь ток через катушку или конденсатор никогда не является чисто реактивным, т. е. сдвиг его фазы относительно напряжения никогда не бывает точно равным а всегда оказывается меньше, чем на угол который называют иглом потерь. Под действием напряжения в идеальной катушке должен был бы проходить чисто реактивный ток с амплитудой - в действительности же, как показано в конце следующего параграфа (в виде пояснения выведенного там обобщенного закона Ома), возбуждается ток с амплитудой, уменьшившейся вследствие потерь до значения этот фактический ток через катушку представляет собой сумму возникшего в связи с потерями активного тока и реактивного тока

с амплитудой, уменьшившейся до величины что из рис. 343. Согласно рис. 343

Рис. 343. Вследствие потерь амплитуда тока через катушку уменьшается до величины а амплитуда реактивного тока - до величины где угол потерь.

Аналогичные соотношения и такая же диаграмма справедливы и для тока через конденсатор. Так как активный ток - это ток, фаза которого совпадает с напряжением, то очевидно, что мощность, рассеиваемая вследствие потерь, равна Та же мощность будет рассеиваться в цепи, составленной из идеальной катушки с той же индуктивностью и некоторого сопротивления включенного последовательно с ней (называемого сопротивлением потерь), если это сопротивление определено как раз из условия равенства рассеиваемых мощностей:

Как упоминалось выше,

Поэтому получается, что

Подставляя это значение амплитуды активного тока в приведенное выше выражение для тангенса угла потерь, приходим к формуле, которую считают основной при анализе влияния потерь на режим переменного тока в электрических цепях:

По смыслу вывода этой формулы понятно, что аналогичное соотношение справедливо и для тангенса угла потерь в цепи с конденсатором

В радиотехнических расчетах часто применяют величину, обратную тангенсу угла потерь, которую называют добротностью электрической цепи (см. стр. 460 и 485):

Потери в катушках большой индуктивности в высокой мере зависят от конструкции и магнитных свойств сердечника и выполнения обмотки. При правильной конструкции потери в сердечнике и в обмотке (не одинаково зависящие от частоты) должны быть по возможности уравнены.

Для уменьшения потерь на токи Фуко сердечники набирают из тонких листов трансформаторного железа (толщиной 0,5-0,35 мм), покрытых для изоляций их друг от друга тонким (0,05 мм) слоем лака. Потери в таких сердечниках составляют около на килограмм массы сердечника. Сечение проводов выбирают с учетом возрастания их сопротивления вследствие скин-эффекта так, чтобы при эксплуатации потери в обмотке были приблизительно равны потерям в сердечнике. Суммарно потери в сердечнике и обмотке трансформаторов большой мощности (порядка составляют 3-4%, а в трансформаторах очень большой мощности (порядка несколько десятых долей процента

Потери в небольших трансформаторах лабораторного типа и в «силовых» трансформаторах, применяемых в радиоаппаратуре, обычно бывают не меньше 10-12% (чаще около Еще большую часть мощности (как правило, 30%) составляют потери в дросселях и трансформаторах усилителей звуковой частоты. Первичная обмотка трансформаторов для токов звуковой частоты состоит из 2000-5000 витков и имеет индуктивность

Катушки резонансных контуров радиочастот имеют индуктивность порядка тысячных (а для коротких волн-миллионных) долей генри. Такая индуктивность создается сравнительно небольшим числом витков провода без ферромагнитного сердечника. В связя с этим потери в радиочастотных катушках невелики - порядка 1% (тангенс угла потерь - от 0,02 до 0,005).

Потери в конденсаторах (за исключением электролитических конденсаторов) обычно не превышают что соответствует тангенсу угла потерь В электролитических конденсаторах тангенс угла потерь может достигать 0,2.

Среди лучших изоляторов (имеющих удельное сопротивление порядка ом-см) выделяются наименьшим значением тангенса угла потерь: кварц плавленый, слюда-мусковит, парафин и полистирол; для них

Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы , то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках, увеличивается падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи , что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности , в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности . Компенсация реактивной мощности – вот ключ к решению вопроса энергосбережения.

Потребители реактивной мощности

Основные потребители реактивной мощности - , которые потребляют 40 % всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами; электрические печи 8 %; преобразователи 10 %; трансформаторы всех ступеней трансформации 35 %; линии электропередач 7 %.

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а уменьшается при малой нагрузке. 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 .

Малонагруженные трансформаторы также имеют низкий (косинус фи). Поэтому, применять компенсацию реактивной мощности, то результирующий косинус фи энергетической системы будет низок и ток нагрузки электрической, без компенсации реактивной мощности, будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от косинус фи на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.

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

Структура потребителей реактивной мощности в сетях энергосистем (по установленной активной мощности):

Прочие преобразователи: переменного тока в постоянный, тока промышленной частоты в ток повышенной или пониженной частоты, печная нагрузка (индукционные печи, дуговые сталеплавильные печи), сварка (сварочные трансформаторы, агрегаты, выпрямители, точечная, контактная).

Суммарные абсолютные и относительные потери реактивной мощности в элементах питающей сети весьма велики и достигают 50% мощности, поступающей в сеть. Примерно 70 - 75% всех потерь реактивной мощности составляют потери в трансформаторах.

Так, в трехобмоточном трансформаторе ТДТН-40000/220 при коэффициенте загрузки, равном 0,8, потери реактивной мощности составляют около 12%. На пути от электростанции происходит самое меньшее три трансформации напряжения, и поэтому потери реактивной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах достигают больших значений.

Способы снижения потребления реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности

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.
  

Как известно, генератор переменного тока вырабатывает два вида электрической энергии — активную и реактивную. Активная энергия расходуется в электрических печах, лампах, электрических машинах и иных потребителях, переходя в другие виды энергии — тепловую, световую, механическую. Реактивная же энергия не расходуется потребителями и возвращается по питающей линии к генератору. Это влечет рост тока, протекающего по ЭС, и соответственно требует увеличения площади их сечения.

Компенсация реактивной мощности

В электрических цепях, содержащих комбинированные сопротивления (нагрузку), в частности, активную (лампы накаливания, электронагреватель и др.) и индуктивную (электродвигатели, распределительные трансформаторы, сварочное оборудование, люминесцентные лампы и др.) составляющие, общую мощность, забираемую от сети, можно выразить следующей векторной диаграммой:

Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени (см. рис.), когда напряжение и ток имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершая колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно). Соответствующую мощность называют реактивной.

Полная мощность складывается из активной мощности, совершающей полезную работу, и реактивной мощности, расходуемой на создание магнитных полей и создающей дополнительную нагрузку на силовые линии питания. Соотношение между полной и активной мощностью, выраженное через косинус угла между их векторами, называется коэффициентом (фактором) мощности.

Активная энергия преобразуется в полезную - механическую, тепловую и др. энергии. Реактивная энергия не связана с выполнением полезной работы, однако она необходима для создания электромагнитного поля, наличие которого является необходимым условием для работы электродвигателей и трансформаторов. Потребление реактивной мощности от энергоснабжающей организации нецелесообразно, так как приводит к увеличению мощности генераторов, трансформаторов, сечения подводящих кабелей (снижение пропускной способности), а так же повышению активных потерь и падению напряжения (из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети). Поэтому реактивную мощность необходимо получать (генерировать) непосредственно у потребителя. Эту функцию выполняют установки компенсации реактивной мощности (КРМ) , основными элементами которых являются конденсаторы.

Установки КРМ - электроприемники с емкостным током, которые при работе формируют опережающую реактивную мощность (ток по фазе опережает напряжение) для компенсации отстающей реактивной мощности, генерируемой индуктивной нагрузкой.

Реактивная мощность Q пропорциональна реактивному току, протекающему через индуктивный элемент:
Q = U x IL,
где IL - реактивный (индуктивный) ток, U - напряжение сети. Таким образом, полный ток, питающий нагрузку, складывается из активной и индуктивной составляющих:
I = IR + IL.
Для снижения доли реактивного тока в системе «генератор-нагрузка» параллельно нагрузке подключают компенсаторы (установки КРМ). Реактивная мощность при этом уже не перемещается между генератором и нагрузкой, а совершает локальные колебания между реактивными элементами - индуктивными обмотками нагрузки и компенсатором. Такая компенсация реактивной мощности (снижение индуктивного тока в системе «генератор-нагрузка») позволяет, в частности, передать в нагрузку большую активную мощность при той же номинальной полной мощности генератора.

Для чего необходима компенсация реактивной мощности?

Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором), не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей и создает дополнительную нагрузку на силовые линии питания.
Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ) , численно равный косинусу угла (ф) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е.: cos(ф) = P/S. Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом. Чем ближе значение cos(ф) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

Пример: при cos(ф) = 1 для передачи 500 KW в сети переменного тока 400 V необходим ток значением 722 А. Для передачи той же активной мощности при коэффициенте cos(ф) = 0,6 значение тока повышается до 1203 А.

• возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
• снижается пропускная способность распределительной сети;
• отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).

Все сказанное выше является основной причиной того, что предприятия электроснабжения требуют от потребителей снижения доли реактивной мощности в сети.
Решением данной проблемы является компенсация реактивной мощности - важное и необходимое условие экономичного и надежного функционирования системы электроснабжения предприятия. Эту функцию выполняют устройства компенсации реактивной мощности (КРМ-конденсаторные установки) , основными элементами которых являются конденсаторы.

Правильная компенсация реактивной мощности позволяет:

• снизить общие расходы на электроэнергию;
• уменьшить нагрузку элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продлевая их срок службы;
• снизить тепловые потери тока и расходы на электроэнергию;
• снизить влияние высших гармоник;
• подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
• добиться большей надежности и экономичности распределительных сетей.

Кроме того, в существующих сетях она позволяет:

• исключить генерацию реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки;
• снизить расходы на ремонт и обновление парка электрооборудования;
• увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что позволит подключить дополнительные нагрузки без увеличения стоимости сетей;
• обеспечить получение информации о параметрах и состоянии сети,

а во вновь создаваемых сетях - уменьшить мощность подстанций и сечения кабельных линий, что снизит их стоимость.

Где необходима компенсация реактивной мощности

Одним из основных направлений сокращения потерь электроэнергии и повышения эффективности электроустановок промышленных предприятий является компенсация реактивной мощностис одновременным повышением качества электроэнергии непосредственно в сетях предприятий. Чем ниже коэффициент мощности cos(ф) при одной и той же активной нагрузке электроприемников, тем больше потери мощности и падение напряжения в элементах систем электроснабжения. Поэтому следует всегда стремиться к получению наибольшего значения коэффициента мощности.
Для решения этой задачи применяются компенсирующие устройства, называемые установками компенсации реактивной мощности (КРМ) , основными элементами которых являются конденсаторы. Применение установок КРМ позволяет исключить оплату за потребление из сети и генерацию в сеть реактивной мощности, при этом суммы платежа за потребляемую энергию, определяемые тарифами энергосистемы, значительно сокращаются.
Применение установок КРМ эффективно на предприятиях, где используются станки, компрессоры, насосы, сварочные трансформаторы, электропечи, электролизные установки и прочие потребители энергии с резкопеременной нагрузкой, то есть на производствах металлургической, горнодобывающей, пищевой промышленности, в машиностроении, деревообработке и производстве стройматериалов - то есть везде, где из-за специфики производственных и технологических процессов значение cos(ф) колеблется от 0,5 до 0,8.

Применение установок компенсации реактивной мощности КРМ необходимо на предприятих, использующих:

• Асинхронные двигатели (cos(ф) ~ 0.7);
• Асинхронные двигатели, при неполной загрузке (cos(ф) ~ 0.5);
• Выпрямительные электролизные установки (cos(ф) ~ 0.6);
• Электродуговые печи (cos(ф) ~ 0.6);
• Индукционные печи (cos(ф) ~ 0.2-0.6);
• Водяные насосы (cos(ф) ~ 0.8);
• Компрессоры (cos(ф) ~ 0.7);
• Машины, станки (cos(ф) ~ 0.5);
• Сварочные трансформаторы (cos(ф) ~ 0.4);
• Лампы дневного света (cos(ф) ~ 0.5-0.6).

Снижение величины полной мощности при компенсации реактивной мощности:

* данные получены на основании обобщенного опыта эксплуатации установок КРМ

Существенным для практики является тот факт, что реактивная нагрузка индуктивного характера может быть скомпенсирована включением параллельно ей емкостной нагрузки. При внимательном изучении это явление становится очевидным: отстающий ток индуктивной ветви такой цепи компенсируется опережающим током ветви емкостной. При надлежащем подборе емкости отставание тока в цепи может быть почти полностью скомпенсировано (cos f = 1). Конденсаторы, включаемые параллельно индуктивной нагрузке для компенсации ее РМ, называют компенсирующими, или косинусными (поскольку служат для повышения cos f ЭУ).

Методы компенсации

Компенсация РМ может быть индивидуальной (местной), когда конденсаторы монтируются в непосредственной близости от каждого потребителя и групповой с использованием специальных конденсаторных установок, располагаемых обычно вблизи трансформаторных подстанций, распределительных пунктов и т.п., присоединяемых к началу каждой групповой линии. Такой метод целесообразен для крупных ЭУ.

Для чего нужна компенсация реактивной мощности в распределительных электрических сетях

Активная мощность вырабатывается только генераторами электрических станций. Реактивная мощность вырабатывается генераторами электрических станций (синхронными двигателями станций в режиме перевозбуждения), а также компенсирующими устройствами (например, батареями конденсаторов).
Передача реактивной мощности от генераторов по электрической сети к потребителям (индукционным приемникам энергии) вызывает в сети затраты активной мощности в виде потерь и дополнительно загружает элементы электрической сети, снижая их общую пропускную способность.
Так, например, генератор с номинальной мощностью 1250 кВА при номинальном коэффициенте мощности cosφ=0,8 может отдать потребителю активную мощность, равную 1250×0,8=1000 кВт. Если генератор будет работать с соsφ=0,6 , то в сеть будет отдаваться активная мощность равная 1250×0,6=750 кВт (активная мощность недоиспользуется на четверть).
Поэтому, как правило, увеличение выдачи реактивной мощности генераторами станций с целью доставки ее потребителям нецелесообразно. Наибольший экономический эффект достигается при размещении компенсирующих устройств (генерации реактивной мощности) вблизи потребляющих реактивную мощность индукционных приемников энергии.

Индукционные приемники энергии или потребители реактивной мощности

• Трансформатор. Он является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от источника электрической энергии до потребителя и предназначен для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности.
• Асинхронный двигатель. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 65% реактивной мощности энергосистемы.
• Индукционные печи. Это крупные электроприемники, требующие для своего действия большое количество реактивной мощности. Индукционные печи промышленной частоты часто используются для плавки металлов.
• Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей. Данные установки широко применяются на промышленных предприятиях и железнодорожном транспорте, использующем постоянный ток.
• Социально-бытовая сфера. Увеличение числа различных электроприводов, стабилизирующих и преобразовательных устройств, применение полупроводниковых преобразователей приводит к росту потребляемой реактивной мощности, а это, в свою очередь, влияет на работу других электроприемников, сокращает срок их службы, создает дополнительные потери электроэнергии. Современные люминесцентные (так называемые энергосберегающие) светильники, которые все шире применяются в квартирах и офисах, также являются потребителями реактивной мощности.

К чему приводит отсутствие компенсации реактивной мощности у абонентов

• У трансформаторов при уменьшении cosφ уменьшается пропускная способность по активной мощности вследствие увеличения реактивной нагрузки.
• Увеличение полной мощности при снижении cosφ приводит к возрастанию тока и, следовательно, потерям мощности, которые пропорциональны квадрату тока.
• Увеличение тока требует повышения сечений проводов и кабелей, растут капитальные затраты на электрические сети.
• Увеличение тока при снижении cosφ ведет к увеличению потери напряжения во всех звеньях энергосистемы, что вызывает понижение напряжения у потребителей.
• На промышленных предприятиях понижение напряжения нарушает нормальную работу электроприемников. Снижается частота вращения электродвигателей, что приводит к снижению производительности рабочих машин, уменьшается производительность электрических печей, ухудшается качество сварки, снижается световой поток ламп, уменьшается пропускная способность заводских электрических сетей, а как итог - ухудшается качество продукции.

и является суммой двух величин, одна из которых постоянна во времени, а другая пульсирует с двойной частотой.

Среднее значение p(t) за период Т называется активной мощностью и полностью определяется первым слагаемым уравнения (5.1):

Активная мощность ха-рактеризует энергию, расходуемую необратимо источником в единицу времени на производство полезной работы потребителем. Активная энергия, потребляемая электроприёмниками, преобразуется в другие виды энергии : механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и газа и т. п.

Среднее значение от второго слагаемого мгновенной мощности (1.1) (пульсирует с двойной частотой) за время Т равно нулю, т. е. на ее создание не требуется каких-либо материальных затрат и поэтому она не может совершать полезной ра-боты. Однако ее присутствие указывает, что между источником и приемником происходит обратимый процесс обмена энергией. Это возможно, если имеются элементы, способные накапливать и отдавать электромагнитную энергию - емкость и индуктивность . Эта составляющая характеризует реактивную мощность.

Полную мощность на зажимах приемника в комп-лексной форме можно представить следующим образом:

Единица измерения полной мощности S = UI - ВА.

Реактивная мощность - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями (обменом) энергии между источником и приемником. Для синусоидального тока она равна произведению действующих значений тока I и напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними: Q = UI sinφ. Единица измерения - ВАр.

Реактивная мощность не связана с полезной работой ЭП и расходуется только на создание переменных электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, аппаратах, линиях и т. д.

Для реактивной мощности приняты такие понятия, как генерация, потребление, передача, потери, баланс. Считается, что если ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то реактивная мощ-ность потребляется и имеет положительный знак, а если ток опережает напряжение (емкостный характер нагрузки), то реактивная мощность ге-нерируется и имеет отрицательное значение.

Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели (60-65 % общего потреб-ления), трансформаторы (20-25 %), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10 %).

Передача реактивной мощности загружает электрические сети и установленное в ней оборудование, уменьшая их пропускную способность. Реактивная мощность генерируется синхронными генераторами электростанций, синхронными компенса-торами, синхронными двигателями (регулирование током возбуждения), батареями конденсаторов (БК) и линиями электропередачи.

Реактивная мощность, вырабатываемая емкостью сетей, имеет следующий порядок величин: воздушная линия 20 кВ генерирует 1 кВАр на 1 км трехфазной линии; подземный кабель 20 кВ - 20 кВАр/км; воздушная линия 220 кВ - 150 кВАр/км; подземный кабель 220 кВ - 3 МВАр/км.

Коэффициент мощности и коэффициент реактивной мощности.

Векторное представление величин, характеризующих состояние сети, приводит к представлению реактивной мощности Q вектором, перпендикулярным вектору активной мощности Р (рис. 5.2). Их векторная сумма дает полную мощность S .

Рис. 5.1. Треугольник мощностей

Согласно рис. 5.1 и (5.2) следует, что S 2 = Р 2 + Q 2 ; tgφ = Q/P; cosφ = P/S.

Основным нормативным показателем, характе-ризующим реактивную мощность, ранее был коэффициент мощности cosφ. На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этого коэффициента должно было находиться в пределах 0,92-0,95. Однако выбор соотношения P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения реактивной мощности. Например, при изменении коэффициента мощности от 0,95 до 0,94 реактивная мощность изменяется на 10 %, а при изменении этого же коэффициента от 0,99 до 0,98 приращение реактивной мощности составляет уже 42 %. При расчетах удобнее оперировать соотношением tgφ = Q/P , которое называют коэффициентом реактивной мощности.

Предприятиям, у которых присоединенная мощность более 150 кВт (за исключением «бытовых» потребителей), определены предельные значения коэффициента реактивной мощности , потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети - с 7 до 23 часов (Приказ Министерства промышленности и энергетики РФ от 22.02.2007 г. № 49 «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии »).

Предельные значения коэффициентов реактивной мощности (tgφ) нормируются в зависимости от положения точки (напряжения) присоединения потребителя к сети. Для напряжения сети 100 кВ tgφ = 0,5; для сетей 35, 20, 6 кВ - tgφ = 0,4 и для сети 0,4 кВ - tgφ = 0,35.

Введение новых директивных документов по компен-сации реактивной мощности было направлено на повышение эффективности работы всей системы электроснабжения от генераторов энергосистемы до приемников электроэнергии.

С введением коэффициента реактивной мощности стало возможным представлять потери активной мощности через активную или реактивную мощности: Р = (P 2 /U 2) R (l + tg 2 φ).

Угол между векторами мощностей Р и S соответствует углу φ между векторами активной составляющей тока I а и полного тока I , который, в свою очередь, представляет собой векторную сумму активного тока I а, находящегося в фазе с напряжением, и реактивного тока I р, находящегося под углом 90° к нему. Это расположение токов является расчетным приемом, связанным с разложением на активную и реактивную мощности, которое можно считать естественным.

Большинство потребителей нуждаются в реактивной мощности, поскольку они функционируют благодаря изменению магнитного поля . Для наиболее употребительных двигателей в нормальном режиме работы можно привести следующие примерные значения tgφ.

В момент пуска двигателей требуется значительное количество реактивной мощности, при этом tgφ = 4-5 (cosφ = 0,2-0,24).

Синхронные машины обладают способностью потреблять или выдавать реактивную мощность в зависимости от степени возбуждения.

В синхронных генераторах и двигателях размеры цепей возбуждения ограничивают возможность поставки реактивной мощности до максимальных значений tgφ = 0,75 (cosφ = 0,8) или до tgφ = 0,5 (cosφ = 0,9) (табл. 5.1).

Синхронные двигатели, выпускаемые отечественной промышленностью, рассчитаны на опережающий коэффициент мощности (cosφ = 0,9) и при номинальной активной нагрузке P ном и напряжении U ном могут вырабатывать номинальную реактивную мощность Q ном ≈ 0,5P ном.

При недогрузке СД по активной мощности β = P/P ном < 1 возможна перегрузка по реактивной мощности α = Q /Q ном > 1.

Преимуществом СД, используемым для компенсации реактивной мощности, по сравнению с КБ является возможность плавного регулирования генерируемой реактивной мощности. Недостатком является то, что активные потери на генерирование реактивной мощности для СД больше, чем для КБ.

Дополнительные активные потери в обмотке СД, вызываемые генерируемой реактивной мощностью в пределах изменения cosφ от 1 до 0,9 при номинальной активной мощности СД, равной P ном, кВт:

Р ном = Q 2 ном R /U 2 ном,

где Q ном - номинальная реактивная мощность СД, кВ Ар; R - сопротивление одной фазы обмотки СД в нагретом состоянии, Ом; U ном - номинальное напряжение сети, кВ.

В системах электроснабжения промышленных предприятий КБ компенсируют реактивную мощность базисной (основной) части графиков нагрузок, а СД снижают пики нагрузок графика.

Таблица 5.1

Зависимости коэффициента перегрузки по реактивной мощности синхронных двигателе й

Синхронные компенсаторы.

Разновидностью СД являются синхронные компенсаторы (СК), которые представляют собой СД без нагрузки на валу. В настоящее время выпускается СК мощностью выше 5000 кВ?Ар. Они имеют ограниченное применение в сетях промышленных предприятий. Для улучшения показателей качества напряжения у мощных ЭП с резкопеременной, ударной нагрузкой (дуговые печи, прокатные станы и т. п.) используются СК.

Статические тиристорные компенсирующие устройства.

В сетях с резкопеременной ударной нагрузкой на напряжении 6-10 кВ рекомендуется применение не конденсаторных батарей, а специальных быстродействующих источников реактивной мощности (ИРМ), которые должны устанавливаться вблизи таких ЭП. Схема ИРМ приведена на рис. 5.2. В ней в качестве регулируемой индуктивности используются индуктивности LR и нерегулируемые ёмкости С 1-С 3.

Рис. 5.2. Быстродействующие источники реактивной мощности

Регулирование индуктивности осуществляется тиристорными группами VS , управляющие электроды которых подсоединены к схеме управления. Достоинствами статических ИРМ являются отсутствие вращающихся частей, относительная плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть, возможность трёх- и четырёхкратной перегрузки по реактивной мощности. К недостаткам относится появление высших гармоник, которые могут возникнуть при глубоком регулировании реактивной мощности.

За счет дополнительных потерь мощности в сети, вызванных потреблением реактивной мощности, увеличивается общее потребление электроэнергии. Поэтому снижение перетоков реактивной мощности является одной из основных задач эксплуатации электрических сетей.