Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Реактивная мощность | Домашний электрик

Электрическая мощность — это сейчас для нас все. Мы живем на электричестве, мы его пьем, едим, им греемся, на нем ездим. Через него смотрим на целый мир, им общаемся, и уж как-то им начинаем и думать. Но мощность электрическая имеет некоторое лукавое измерение, с помощью которого способна от нас утекать.

Мощность бывает активная, а бывает полная. Спрашивается, полная чем? А вот, мол, тем, что нам служит на пользу, что делает нам полезную работу, но и… оказывается, это еще не все. Еще есть вторая составляющая, которая получается этаким довеском, и она просто сжигает энергию. Греет то что не надо, а нам от этого ни жарко, ни холодно.

Такая мощность называется реактивной. Но виноваты, как это ни странно, мы сами. Вернее, наша система выработки, передачи и потребления электроэнергии.

Мощность активная, реактивная и полная

Мы пользуемся электричеством с помощью сетей переменного тока. Напряжение у нас в сетях каждую секунду колеблется 50 раз от минимального значения до максимального. Это так получилось. Когда изобретали электрический генератор, который механическое движение преобразует в электричество, то оказалось, что perpetuum mobile, или, переведя с латинского, вечное движение, легче всего устроить по кругу. Изобрели когда-то колесо, и с тех пор знаем, что если его подвесить на оси, то можно вращать долго-долго, а оно будет оставаться все на том же месте — на оси.

Почему у нас в сети напряжение переменное

И электрический генератор имеет ось и нечто, на ней вращающееся. А в результате и получается электрическое напряжение. Только генератор состоит из двух частей: вращающейся, ротора, и неподвижной, статора. И обе они участвуют в выработке электроэнергии. А когда одна часть крутится около другой, то неизбежно точки поверхности вращающейся части то приближаются к точкам поверхности неподвижной, то от них отдаляются. И это совместное их положение с неизбежностью описывается только одной математической функцией — синусоидой. Синусоида есть проекция вращения по кругу на одну из геометрических осей. Но осей таких можно построить много. Обычно наши координаты друг другу перпендикулярны. И тогда при вращении по кругу некоторой точки на одной оси проекцией вращения будет синусоида, а по другой — косинусоида, или та же синусоида, только смещенная относительно первой на четверть поворота, или на 90°.

Вот нечто такое и представляет собой напряжение, которое доводит до нашей квартиры электрическая сеть.

Синусоида

угол поворота здесь разбит не на 360 градусов,
а на 24 деления. То есть одно деление соответствует 15°
6 делений = 90°

Итак, напряжение в нашей сети синусоидальное с частотой 50 герц и амплитудой 220 вольт, потому что удобнее было делать генераторы, которые вырабатывают напряжение именно переменное.

Выгода от переменного напряжения — выгода системы

А чтобы сделать напряжение постоянным, надо специально его выпрямить. И это можно делать либо прямо в генераторе (специально сконструированном — тогда он станет генератором постоянного тока), либо когда-нибудь потом. Вот это «когда-нибудь» и получилось снова очень кстати, потому что переменное напряжение можно преобразовывать трансформатором — повышать или понижать. Это оказалось вторым удобством переменного напряжения. А повысив его трансформаторами до напряжений буквально ЗАПРЕДЕЛЬНЫХ (полмиллиона вольт и больше), можно передавать на гигантские расстояния по проводам без гигантских при этом потерь. И это тоже пришлось вполне кстати в нашей большой стране.

Вот, доведя, все-таки, напряжение до нашей квартиры, понизив его до хоть сколько-то мыслимой (хотя все еще и опасной) величины в 220 вольт, преобразовать его в постоянное опять забыли. Да и зачем? Лампочки горят, холодильник работает, телевизор показывает. Хотя в телевизоре этих постоянных/переменных напряжений… но, не будем тут еще и об этом.

Убытки от переменного напряжения

И вот мы пользуемся сетью переменного напряжения.

А в ней присутствует «плата за забывчивость» — реактивное сопротивление наших потребляющих сетей и их реактивная мощность. Реактивное сопротивление — это сопротивление переменному току. И мощность, которая просто-напросто уходит мимо наших потребляющих электроприборов.

Ток, идя по проводам, создает вокруг них электрическое поле. Электростатическое поле притягивает к себе заряды со всего, что источник поля, то есть ток, окружает. А изменение тока создает еще и поле электромагнитное, которое начинает бесконтактно наводить во всех проводниках вокруг электрические токи. Так, наша токовая синусоида, как только мы что-то у себя включаем, есть не просто ток, а непрерывное его изменение. Проводников вокруг хватает, начиная от металлических корпусов тех же электроприборов, металлических труб водоснабжения, отопления, канализации и кончая прутами арматуры в железобетонных стенах и перекрытиях. Вот во всем этом и наводится электричество. Даже вода в бачке унитаза, и та участвует во всеобщем веселье — в ней тоже индуцируются токи наводки. Такое электричество нам совсем не нужно, мы его «не заказывали». Но оно эти проводники пытается разогреть, а значит, уносит из нашей квартирной сети электроэнергию.

Получается, наша пространственная система прохождения тока у нас в квартире работает как большой трансформатор, и уходящая «в стены» энергия как раз и характеризуется реактивной частью этой мощности (индуктивная составляющая). А еще «мегасеть» работает и как большой конденсатор — вспомним электростатическую составляющую, — при этом статические заряды, наводимые во всем окружающем, заставляют заряды нашей электрической сети (а ток — это движение зарядов) реагировать на наведенные заряды вокруг — паразитную емкость. Это уже емкостная составляющая. «Конструкция» этой самой, охватившей нас со всех сторон паразитной невидимой сети просто неописуема. Мы же сами в ней участвуем — в наших телах и заряды накапливаются, и токи наводятся. Следовательно, вся эта паразитная реактивная нагрузка, ее сопротивление, мощность не могут поддаваться никакому расчету. Но вот мощность измеряется. А именно, как соотношение полезной мощности и полной.

Рассчитать или измерить мощность: полную, активную и реактивную

Чтобы охарактеризовать соотношение мощностей в сети нашего переменного тока, рисуют треугольник.

Треугольник мощностей в цепи переменного тока

S – полная мощность, расходуемая нашей сетью,
P – активная мощность, она же полезная активная нагрузка,
Q – мощность реактивная.

Мощность полную можно замерить ваттметром, а активная мощность получается расчетом нашей сети, в которой мы учитываем только полезные для нас нагрузки. Естественно, сопротивлением проводов мы пренебрегаем, считая их малыми относительно полезных сопротивлений электроприборов.

Полная мощность

S = U x I = Ua x If

А вот мощность паразитную, реактивную можно получить из данного треугольника по теореме Пифагора.

Q (реактивная мощность) тем больше, чем больше угол j в треугольнике мощностей

То есть, чем «тупее» этот острый угол, тем хуже у нас работает внутренняя квартирная потребляющая сеть — много энергии уходит в потери.

Что такое активная, реактивная и полная мощности

Угол j  можно еще назвать углом фазового сдвига между током и напряжением в нашей сети. Ток является результатом приложения к нашей сети исходного напряжения в 220 вольт частотой в 50 герц. Когда нагрузка активна, то фаза тока совпадает с фазой напряжения в ней. А реактивные нагрузки эту фазу сдвигают на этот угол.

Диаграмма тока и напряжения в сети переменного тока

Собственно говоря, угол и характеризует степень эффективности нашего потребления энергии. И надо стараться его уменьшить. Тогда S будет приближаться к P.

Только удобнее оперировать не с углом, а с косинусом угла. Это как раз и есть соотношение двух мощностей:

Формула

Косинус угла приближается к единице, когда угол приближается к нулю. То есть, чем острее угол j, тем лучше, эффективнее работает электрическая потребляющая сеть. На практике, если добиться величины косинуса фи (а его можно выразить в процентах) порядка 70–90%, то это уже считается неплохо.

Часто используется другое отношение, связывающее активную мощность и реактивную:

Еще формула

Из диаграммы тока и напряжения можно найти выражения для мощностей: активной, реактивной и полной.

Диаграммы тока

Если более привычная нам активная мощность измеряется в ваттах, то полная мощность измеряется в вольт-амперах (вар). Ватт из вара можно посчитать умножением на косинус фи.

Что такое реактивная мощность

Реактивная мощность бывает индуктивная и емкостная. Они ведут себя в электрической цепи по-разному. На постоянном токе индуктивность — это просто кусок провода, имеющий какое-то очень малое сопротивление. А конденсатор на постоянном напряжении — просто разрыв в цепи.

И когда мы их включаем в цепь, подводим к ним напряжение, во время переходного процесса они ведут себя тоже прямо противоположно. Конденсатор заряжается, при этом возникающий ток сначала большой, потом, по мере зарядки, маленький, уменьшающийся до нуля.

В индуктивности, катушке с проводом, возникающее магнитное поле после включения в самом начале сильно препятствует прохождению тока, и он сначала маленький, потом увеличивается до своего стационарного значения, определяемого активными элементами схемы.

Конденсаторы, таким образом, способствуют изменению тока в цепи, а индуктивности препятствуют изменению тока.

Индуктивная и емкостная составляющие сопротивления сети

Таким образом, реактивные элементы имеют свои разновидности сопротивления — емкостное и индуктивное. С полным сопротивлением, включающим активную и реактивную составляющие, это связывается следующей формулой:

Z = R + jX

Z – полное сопротивление,

R – активное сопротивление,

X – реактивное сопротивление.

В свою очередь, реактивное сопротивление состоит из двух частей:

X = XL - XC

XL – индуктивной и XC – емкостной.

Отсюда мы видим, что вклад в реактивную составляющую у них разный.

Все, что в сети индуктивно, увеличивает реактивное сопротивление сети, все, что в сети имеет емкостной характер, уменьшает реактивное сопротивление.

На этом и строится возможность уменьшения паразитного, реактивного сопротивления.

Электроприборы, влияющие на качество потребления

Если бы все приборы у нас в сети были, как лампочки, то есть являлись чисто активной нагрузкой, проблем бы не было. Была бы активная потребляющая сеть, одна сплошная активная нагрузка, и, как говорится, в чистом поле — вокруг ничего, то все легко бы подсчитывалось по законам Ома и Кирхгофа, и было справедливо — сколько потребил, за столько и заплатил. Но вот имея и вокруг себя загадочную токопроводящую «инфраструктуру», и в самой сети множество неучтенных емкостей и индуктивностей, мы и получаем, кроме полезной нам, еще и реактивную, ненужную нам нагрузку.

Как от нее избавиться? Когда электрическая потребляющая сеть уже создана, то можно проводить мероприятия по уменьшению реактивной составляющей. Компенсация и строится на «антагонизме» индуктивностей и емкостей.

То есть, в сложившейся сети следует измерить ее составляющие, а потом придумать компенсацию.

Особенно хороший эффект от таких мероприятий достигается в больших потребляющих сетях. Например, на уровне заводского цеха, имеющего большое количество постоянно работающего оборудования. 

Для компенсации реактивной составляющей используются специальные компенсаторы реактивной мощности (КРМ), содержащие в своей конструкции конденсаторы, меняющие суммарный сдвиг фаз в сети в лучшую сторону.

Компенсатор реактивной мощности Еще один КРМ Один из видов КРМ Есть и такие КРМ

Еще приветствуется использование в сетях синхронных двигателей переменного тока, так как они способны компенсировать реактивную мощность. Принцип простой: в сети они способны работать в режиме двигателя, а когда при сдвиге фаз наблюдается «завал» электроэнергии (других слов язык уже не находит), они способны компенсировать это, «подрабатывая» в сети в режиме генератора.

Похожие статьи:

Реактивная мощность. Расчёт

Реактивная мощность обусловлена способностью реактивных элементов накапливать и отдавать электрическую или магнитную энергию.

Eмкостная нагрузка в цепи переменного тока за время половины периода накапливает заряд в обкладках конденсаторов и отдаёт его обратно в источник.
Индуктивная нагрузка накапливает магнитную энергию в катушках и возвращает её в источник питания в виде электрической энергии.

Напряжение на выводах реактивного элемента будет достигать максимального значения во время смены направления тока, следовательно, расхождение во времени между напряжением и током в пределах элемента составит четверть периода (сдвиг фаз 90°).

Угол сдвига фаз φ в цепи нагрузки определяется соотношением активного и реактивного сопротивлений нагрузки.

Реактивная мощность характеризует потери, созданные реактивными элементами в цепи переменного тока, и выражается формулой Q = UIsinφ.

Природу потерь в цепи с реактивными элементами можно рассмотреть с помощью графиков на рисунках.


φ = 90°     sin90° = 1     cos90° = 0

При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между напряжением и током составит 90°.
В начале периода, когда напряжение максимально – ток будет равен нулю, следовательно, мгновенное значение мощности UI в это время будет равно нулю.
В течении первой четверти периода, мощность можно видеть на графике, как произведение UI, которое станет равным нулю при максимуме тока и нулевом значении напряжения.

В следующую четверть периода на графике UI принимает отрицательное значение, следовательно, мощность возвращается обратно в источник питания. То же самое произойдёт и в отрицательном полупериоде тока. В результате средняя (активная) потребляемая мощность P avg за период будет равна нулю.

В таком случае:
Реактивная мощность Q = UIsin90° = UI
Потребляемая мощность P = UIcos90° = 0
Полная мощность S = UI = √(P² + Q²) будет равна реактивной мощности
Коэффициент мощности P/S = 0


При отсутствии реактивных элементов и сдвига фаз в нагрузках, мгновенная мощность в полупериоде Umax*Imax будет максимальной, и в следующем полупериоде произведение отрицательного напряжения с отрицательным током дадут положительный результат – полезную мощность в нагрузке.


φ = 0°     sin90° = 0     cos90° = 1

В этом случае:
Реактивная мощность Q = UIsin0 = 0
Потребляемая мощность P = UIcos0 = UI
Полная мощность S = UI = √(P² + Q²) будет равна потребляемой мощности
Коэффициент мощности P/S = 1


Ниже представлен рисунок графиков со сдвигом фаз 45°, для случая равенства активного и реактивного сопротивлений в нагрузке.


φ = 45°     sin45° = cos45° = √2/2 ≈ 0.71

Здесь:
Реактивная мощность Q = UIsin45° = 0.71UI
Потребляемая мощность P = UIcos45° = 0.71UI
Полная мощность S = √(P² + Q²) = UI
Коэффициент мощности P/S = 0.71

В примерах рассмотрены случаи с индуктивной нагрузкой, когда ток отстаёт от напряжения (положительный сдвиг фаз).
В случаях с ёмкостной нагрузкой, процессы и расчёты аналогичны, только напряжение будет отставать от тока (отрицательный сдвиг фаз).
Угол сдвига фаз в сети определится соотношением активного и реактивного сопротивлений нагрузок в параллельном соединении следующим образом:

XL и XС соответственно индуктивное и ёмкостное сопротивление нагрузок.
Преобладание индуктивных нагрузок будет уменьшать общее индуктивное сопротивление.
Из выражения видно, что угол в этом случае будет принимать положительный знак, а преобладание ёмкостных нагрузок будет уменьшать ёмкостное сопротивление и вызывать отрицательный сдвиг. При равенстве индуктивного и ёмкостного сопротивлений, угол сдвига будет равен нулю.
В бытовых и производственных потребителях индуктивное сопротивление обычно существенно преобладает над ёмкостным.

Подробнее о вычислениях общего угла сдвига φ для вариантов соединений активного и реактивного сопротивлений в нагрузках можно ознакомиться на страничке электрический импеданс.


Компенсация реактивной мощности

Огромное количество индуктивных нагрузок в сети суммарно обладает колоссальной реактивной мощностью, которая возвращается в генераторы и не совершает никакой полезной работы, расходуя энергию на нагрев кабелей и проводов ЛЭП, перегружает трансформаторы, снижая их КПД, тем самым уменьшая пропускную способность активных токов.

Если параллельно индуктивной нагрузке подключить конденсатор, фаза тока в цепи источника будет смещаться в противоположную сторону, компенсируя угол, созданный индуктивностью нагрузки. При определённом соотношении номиналов, можно добиться отсутствия сдвига фаз, следовательно, и отсутствия реактивных токов в цепи источника питания.
Ёмкость конденсатора определяется реактивным (индуктивным) сопротивлением нагрузки, которое необходимо компенсировать:
C = 1/(2πƒX),
X = U²/Q - реактивное сопротивление нагрузки,
Q - реактивная мощность нагрузки.

Компенсация реактивных токов в сети позволяет значительно уменьшить потери на активном сопротивлении проводов ЛЭП, кабелей и обмоток трансформаторов питающей сети.
В целях компенсации реактивной мощности на производственных предприятиях, где основными потребителями энергии являются асинхронные электродвигатели, индукционные печи, люминесцентное освещение, которые обладают индуктивным сопротивлением, часто применяют специальные конденсаторные установки, способные в ручном или автоматическом режиме поддерживать нулевой сдвиг фаз, тем самым минимизировать реактивные потери.

В масштабах энергосистемы компенсация происходит непосредственно на электростанциях путём контроля сдвига фаз и обеспечения соответствующего тока подмагничивания роторных обмоток синхронных генераторов станций.

Компенсация реактивной мощности - одна из составляющих комплекса мер по Коррекции Коэффициента Мощности (ККМ) в электросети (Power Factor Correction - PFC в англоязычной литературе). Применяется в целях уменьшения потерь электроэнергии, как на паразитную реактивную, так и нелинейную составляющую искажений тока в энергосистеме. Более подробно с материалом о ККМ (PFC) можно ознакомиться на странице - коэффициент мощности.



Онлайн-калькулятор расчёта реактивной мощности и её компенсации.

Достаточно вписать значения и кликнуть мышкой в таблице.

Реактивная мощность Q = √((UI)²-P²)
Реактивное сопротивление X = U²/Q
Компенсирующая ёмкость C = 1/(2πƒX)




Похожие страницы с расчётами:

Рассчитать импеданс.

Рассчитать частоту резонанса колебательного контура LC.

Рассчитать реактивное сопротивление катушки индуктивности L и конденсатора C.

Альтернативные статьи:

Дизель-генератор.

Компенсация реактивной мощности как фактор энергосбережения

Как платить за электричество меньше, повысить КПД оборудования и более эффективно использовать электрическую энергию, - сегодня эти вопросы волнуют многих руководителей производственных предприятий и владельцев коммерческих объектов.

Из данной статьи вы подробнее узнаете, что такое компенсация реактивной мощности, как правильно рассчитать мощность для потребителей и подобрать оборудование, чтобы сократить потери электроэнергии до 65%.


Немного теории

Для оценки и расчетов цепей переменного тока используются действующие значения тока и напряжения.

Действующее значение переменного тока определяется как величина такого эквивалентного постоянного тока, который проходя через то же активное сопротивление, что и переменный ток, выделяет на нем за период то же количество тепла. Математически действующее значение определяется как среднеквадратичное за период.

Полная мощность вычисляется как произведение действующих значений тока и напряжения цепи.

S = U * I
В случае активной нагрузки фазы тока и напряжения совпадают и вся полная мощность выделяется на нагрузке. Расчеты для переменного тока соответствуют анализу цепей постоянного тока, только используются действующие значения тока и напряжения.

Полная мощность фактически показывает требования к электрической сети. Измеряется она в вольт-амперах (ВА).

Если в цепи переменного тока появляются реактивные элементы (индуктивные нагрузки и емкостные нагрузки) расчёты приходится корректировать. Реактивные элементы обладают способностью накапливать энергию и отдавать ее обратно в цепь. Появляется сдвиг фаз между током и напряжением и как следствие появляется реактивная мощность.

Реактивная мощность может быть, как положительной (для индуктивных цепей), так и отрицательной (для емкостной составляющей).

Реактивная мощность не выделяется на нагрузке, не создает полезной работы. Она накапливается на реактивных элементах нагрузки (конденсаторах, катушках индуктивности), а затем возвращается обратно в питающую сеть. Возвращаясь, она увеличивает текущий по проводам ток. Этот реактивный ток, присутствуя в линиях, дополнительно нагревает их. Поэтому в любой энергосистеме стремятся уменьшить реактивную мощность до минимума.

На нагрузке остается активная мощность. Она и совершает полезную работу: приводит в движение двигатель, переходит в световую волну в лампах и др. Активная мощность - это среднее значение мгновенной мощности за период.

Полная мощность в цепях переменного тока равна квадратному корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей.

S = ? ( P2 + Q2)

Активная мощность вычисляется как:
P = I * U * cos ?
I и U это действующие значения тока и напряжения.


Или:

P = S * cos ?
Т.е. активная и полная мощности связаны через коэффициент - cos ?.

Коэффициент мощности – это соотношение полезной активной мощности к полной мощности, то есть cos?=P/S этот коэффициент характеризует, насколько эффективно используется электроэнергия. cos ? – это косинус угла сдвига между напряжением питающей сети и током, потребляемым нагрузкой.

При cos ? = 1 (когда фаза тока совпадает с фазой напряжения) активная мощность на нагрузке равна полной. Вся энергия питающей сети используется для полезной работы. Происходит это только на чисто активной нагрузке, без реактивной составляющей.

Попробуем рассчитать мощность, когда угол между напряжением и током составляет 90 градусов.

На графике ? равно 90 косинус фи (cos?)=0(нулю). Для простоты вычислений возьмем максимальное значение напряжения равное 1 (100%). В этот момент ток равен 0 (нулю). Соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот, когда ток максимальный, напряжение равно нулю. Получается, что полезная, активная мощность равна 0 (нулю).

Конечно, устройств с cos ? = 0 на практике не бывает, но промежуточных вариантов может быть множество. Например, бестрансформаторный блок питания, приведенный в качестве примера выше, имеет коэффициент мощности 0,6 - 0,7.

Значимость коэффициента мощности

Приведем простые расчеты, демонстрирующие значимость данного показателя.
Два потребителя электроэнергии с одинаковой активной (полезной) мощностью. У первого cos ? = 1, а у второго – 0,5. Это означает, что второй потребитель потребляет от сети ток в два раза больше, чем первый. Т.к. зависимость потерь в проводах от тока имеет квадратичный характер (P = I2 * R), то потери на активном сопротивлении проводов во втором случае будут в 4 раза больше. Соответственно потребуются провода большего сечения.

Высокий коэффициент мощности особенно важен для мощных нагрузок и длинных линий электропередач.

Реактивная мощность в электрических сетях продуцирует следующие негативные факторы:
  • Увеличение потерь в проводниках
  • Нагрев проводников вызывает ускорение старения изоляции, снижение срока службы, способствует возникновению коротких замыканий
  • Снижение пропускной способности энергосистемы при генерации дополнительной мощности для компенсации потерь
  • Нагрев обмоток трансформаторов и снижение нагрузочной способности без видимых причин
  • Перегрузка генераторов и трансформаторов.
    Повышение тока из-за низкого коэффициента мощности вызывает перегрузку генераторов и трансформаторов, и, как следствие, уменьшение их срока службы вследствие превышения расчётных характеристик
  • Увеличение падения напряжения
    Протекающий по электрическому проводнику ток вызывает падение на нем напряжения, величина которого определяется по закону Ома. Возрастание величины тока из-за низкого значения коэффициента мощности вызывает увеличение падения напряжения, что приводит к снижению напряжения на нагрузке относительно требуемого значения, и приводит к снижению мощности, поступающей на нагрузку
  • Использование КРМ для снижения нагрузки в электросетях. Виды компенсаторов

    Для уменьшения нагрузки в электрических сетях от реактивной мощности применяются компенсаторы реактивной мощности. Это может быть использование синхронного компенсатора. Данное оборудование представлено синхронным двигателем, работающим на холостом ходу. Одновременно с ним применяются системы регулировок, влияющих на эффективность оборудования. Кроме синхронного устройства, компенсация производится с помощью батарей конденсаторов. Этот вариант считается более простым и дешевым в эксплуатации.

    Преимущества компенсации реактивной мощности

    • Повышение эффективности использования электрической энергии за счет снижения тепловых потерь на передачу электроэнергии.

    Снижение тепловых потерь можно рассчитать, если значение тока в законе Джоуля-Ленца выразить через соотношение для активной мощности. Получается следующая зависимость:

    Потери комп./Потери нач. =( COS ? нач./ COS ? комп)?

    В результате расчётов получаем следующие зависимости:


    В таблице показано возможное уменьшение тепловых потерь

    COS ? начальнй COS ? компенсированный
    0,85 0,90 0,95 1,00
    0,50 65,40% 69,14% 72,30% 75,00%
    0,55 58,13% 62,65% 66,48% 69,75%
    0,60 50,17% 55,56% 60,11% 64,00%
    0,65 41,52% 47,84% 53,19% 57,75%
    0,7 32,18% 39,51% 45,71% 51,00%
    0,75 22,15% 30,59% 37,67% 43,75%
    0,80 11,42% 20,99% 29,09% 36,00%
    0,85 - 10,80% 19,94% 27,75%
    0,90 - - 10,25% 19,00%
    0,95 - - - 9,75%
    • Повышение качества электроснабжения за счёт уменьшения падения напряжения в линии электропередач.

    В процессе передачи электроэнергии на расстоянии ток вынужден преодолевать сопротивление (R) проводов, что вызывает падение напряжения в линии. Падения напряжения можно определить по закону Ома. Оно равно произведению величины тока на сопротивление. Если выразить величину тока через активную мощность, то в конце преобразований получим следующее выражение:

    ?U=?Uкомп./?Uнач.* COS ? нач./ COS ? комп

    В таблице показано возможное уменьшение падения напряжения

    COS ? начальнй COS ? компенсированный
    0,85 0,90 0,95 1,00
    0,50 41,18% 44,44% 47,37% 50,00%
    0,55 35,29% 38,89% 42,11% 45,00%
    0,60 29,41% 33,33% 36,84% 40,00%
    0,65 23,53% 27,78% 31,58% 35,00%
    0,7 17,65% 22,22% 26,32% 30,00%
    0,75 11,76% 16,67% 21,05% 25,00%
    0,80 5,88% 11,11% 15,76% 20,00%
    0,85 - 5,56% 10,53% 15,00%
    0,90 - - 5,26% 10,00%
    0,95 - - - 5,00%

    • Экономия до 30% на оплате электроэнергии. При компенсированном коэффициенте мощности нет необходимости платить за реактивную мощность. Значительное сокращение энергопотребления.
    • Увеличение срока службы электрических машин. Недостаток реактивной мощности приводит к увеличению тока, что вызывает снижение срока службы электрооборудования.
    • Стоимость прокладки кабеля сокращается до 30%. Оптимизация конструкции оборудования за счёт уменьшения сечения проводников позволяет снизить стоимость используемых материалов.
    • Снижения тепловых потерь на передачу электроэнергии. Повышение эффективности использования электроэнергии и качества электроснабжения за счёт уменьшения падения напряжения в линии электропередач.
    • Дополнительный прирост мощности системы электроснабжения. При скомпенсированном коэффициенте мощности часть избыточной энергии, высвобождающейся за счёт уменьшения потерь, может быть использована потребителем.

    Как выбрать оборудование для компенсации реактивной мощности

    Оптимальный выбор оборудования для коррекции коэффициента мощности будет зависеть от типа имеющихся нагрузок и режимов их работы.

    Если загрузка оборудования мало подвержена колебаниям, т.е. она почти постоянна, то выгоднее всего использовать индивидуальную компенсацию реактивной мощности. В этом случае конденсатор включается и выключается вместе с относящейся к нему нагрузкой, поэтому компенсация соответствует cos ? нагрузки и синхронизирована с ее суточными колебаниями. Индивидуальная компенсация реактивной мощности наиболее эффективна, если большая часть реактивной мощности потребляется несколькими мощными нагрузками, которые работают непрерывно или длительное время.

    рис.1


    Индивидуальная компенсация (см. рис.1) реактивной мощности имеет следующие преимущества:
    • Компенсация четко соответствует нагрузке
    • Конденсаторная батарея может быть размещена непосредственно у нагрузки
    • Конденсаторы используются только во время работы нагрузки
    • Низкая стоимость установки
    • Реактивная мощность полностью исключена из распределительной сети
    • Простота установки
    • Низкая стоимость решения

    Однако во многих системах не все нагрузки задействованы одновременно, и некоторые из них работают всего несколько часов в день. В этом случае индивидуальная компенсация реактивной мощности становится более дорогой из-за необходимости установки большого количества конденсаторов. При этом основная масса конденсаторов не будет использоваться большую часть времени.

    рис.2

    Если в такой системе часть потребителей всегда работает, а часть стоит, периодически меняясь местами, но суммарная нагрузка получается примерно одинаковая по времени, то используют нерегулируемую групповую компенсацию реактивной мощности (см. рис. 2).

    Такая конфигурация имеет следующие преимущества:

    • Конденсаторная батарея может быть размещена в щите управления
    • Конденсаторы используются только во время работы нагрузки
    • Низкая стоимость установки
    • Реактивная мощность полностью исключена из распределительной сети

    Групповая компенсация имеет и недостаток:

    • Распределительная сеть до щита питания нагружена реактивной мощностью

    Если потребность в реактивной мощности сильно колеблется, целесообразно использовать батареи с автоматическим регулированием (см. рис. 3), а не конденсаторы, емкость которых постоянна. В этой системе конденсаторы устанавливаются рядом со щитом питания. Суммарная емкость батареи конденсаторов разделяется на ступени. Контроллер регистрирует текущий коэффициент мощности в сети и подключает или отключает необходимую реактивную мощность. При этом контроллер выбирает ту ступень, которая меньше всего проработала до этого момента.

    рис.3

    Преимущества централизованной компенсации реактивной мощности с автоматическим регулированием:


    • Компенсация четко соответствует изменяющейся во времени нагрузке
    • Конденсаторная батарея размещена рядом со щитом питания
    • Более эффективное использование конденсаторов: контроллер равномерно распределяет нагрузку на конденсаторы, что увеличивает срок службы конденсаторов
    • Лучшее регулирование напряжения в энергосистеме

    Важно обратить внимание, что распределительная сеть до щита питания нагружена реактивной мощностью. Необходим контроллер и аппарат управления ступенями, что усложняет решение, но при этом делает его более оптимальным по функционалу и стоимости.

    В ассортименте компании EKF представлены все элементы компенсации реактивной мощности:


    • Конденсаторы КПС-0,40-ХХ-3, рассчитанные на работу в трехфазных сетях переменного тока 400В с номинальными емкостями до 50 кВАр
    • Регуляторы на 3,5,7,14 подключаемых ступеней компенсации
    • Контакторы для конденсаторов номиналами от 12,5 кВАр до 50 кВАр с катушками управления 230В и 400В
    • Щиты ШМП и ВРУ с удобной внутренней конфигурацией, которые можно подобрать для любого варианта компенсации реактивной мощности.

    Кроме того, в компании EKF проводится сертификация сборщиков данного оборудования. Подробнее о том, как осуществить квалифицированный подбор и сборку компенсаторных установок в вашем регионе, можно уточнить по электронной почте [email protected] su.

Как бороться с реактивной мощностю

Реактивная мощность представляет собой часть полной мощности, которая не производит работы, но необходима для создания электромагнитных полей в сердечниках магнитопроводов.

Физика процесса и практика применения установок компенсации реактивной мощности

Чтобы разобраться с понятием реактивной мощности, вспомним сначала, что такое электрическая мощность. Электрическая мощность – это физическая величина, характеризующая скорость генерации, передачи или потребления электрической энергии в единицу времени.

Чем больше мощность, тем большую работу может совершить электроустановка в единицу времени. Измеряется мощность в ваттах (произведение Вольт х Ампер). Мгновенная мощность – это произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-то участке электрической цепи.

Физика процесса

В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за какой-то промежуток времени совпадают, а понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока так происходит только в том случае, если нагрузка чисто активная. Это, например, электронагреватель или лампа накаливания. При такой нагрузке в цепи переменного тока фаза напряжения и фаза тока совпадают и вся мощность передается в нагрузку.

Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели), то ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).

Активная и реактивная мощности

Часть полной мощности, которую удалось передать в нагрузку за период переменного тока, называется активной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус угла сдвига фаз между ними (cos φ ).

Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin φ).

Таким образом, реактивная мощность является величиной характеризующей нагрузку. Она измеряется в вольт амперах реактивных (вар, var). На практике чаще встречается понятие косинус фи, как величины характеризующей качество электроустановке с точки зрения экономии электроэнергии.

Действительно, чем выше cos φ, тем больше энергии, подаваемой от источника, попадает в нагрузку. Значит можно использовать менее мощный источник и меньше энергии пропадает зря.

Реактивная мощность бытовых потребителей

Итак, потребители переменного тока имеют такой параметр, как коэффициент мощности cosφ.

На графике ток сдвинут на 90° (для наглядности), то есть на четверть периода. Например, электрооборудование имеет cosφ = 0,8, что соответствует углу arccos 0,8 ≈ 36.8°. Этот сдвиг происходит из-за наличия в потребителе электроэнергии нелинейных компонентов – ёмкостей и индуктивностей (например, обмотки электродвигателей, трансформаторов и электромагнитов).

Для дальнейшего понимания происходящего требуется учет того факта, что, чем выше коэффициент мощности (максимум 1), тем более эффективно потребитель использует получаемую из сети электроэнергию (то есть большее количество энергии преобразуется в полезную работу) – такую нагрузку называют резистивной.

При резистивной нагрузке ток в цепи совпадает с напряжением. А при низком коэффициенте мощности нагрузку называют реактивной, то есть часть потребляемой мощности не совершает полезной работы.

Таблица ниже демонстрирует классификацию потребителей по коэффициенту мощности.

Классификация потребителей переменного тока

Следующая таблица демонстрирует коэффициент мощности распространённых в быту потребителей электроэнергии.

Коэффициент мощности бытовых электроприборов

Юмор электрика

Что такое реактивная мощность? Все очень просто!

Способы компенсации реактивной мощности

Из сказанного выше вытекает, если нагрузка индуктивная, то следует компенсировать ее с помощью емкостей (конденсаторов) и наоборот емкостную нагрузку компенсируют с помощью индуктивностей (дросселей и реакторов). Это помогает увеличить косинус фи (cos φ) до приемлемых значений 0.7-0.9. Этот процесс называется компенсацией реактивной мощности.

Экономический эффект от компенсации реактивной мощности

Экономический эффект от внедрения установок компенсации реактивной мощности может быть очень большим. По статистике он составляет от 12 до 50% от оплаты электроэнергии в различных регионах России. Установка компенсации реактивной мощности окупается не более чем за год.

Для проектируемых объектов внедрение конденсаторной установки на этапе разработки позволяет экономить на стоимости кабельных линий за счет снижения их сечения. Автоматическая конденсаторная установка, например, может поднять cos φ с 0.6 до 0.97.

Выводы

Итак, установки по компенсации реактивной мощности приносят ощутимые финансовые выгоды. Они также позволяют дольше сохранять оборудование в рабочем состоянии.

Вот несколько причин, по которым это происходит.

1. Уменьшение нагрузки на силовые трансформаторы, увеличение в связи с этим срока их службы.

2. Уменьшение нагрузки на провода и кабели, возможность использования кабелей меньшего сечения.

3. Улучшение качества электроэнергии у электроприемников.

4. Ликвидация возможности штрафов за снижение cos φ.

5. Уменьшение уровня высших гармоник в сети.

6. Снижение уровня потребления электроэнергии.

Ранее ЭлектроВести писали, что в Ямпольском районе Винницкой области восстановят работу двух гидроэлектростанций. "Вторую жизнь" получат Мироновская и Клембовская ГЭС в рамках национальной программы стимулирования развития возобновляемой энергетики.

По материалам: electrik.info.

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. Поэтому очень важен компенсатор реактивной мощности.

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.

Соответственно все оборудование питания сети, передачи и распределения энергии должны быть рассчитаны на большие нагрузки. Кроме того, в результате больших нагрузок срок эксплуатации этого оборудования может соответственно снизиться. Дальнейшим фактором повышения затрат является возникающая из-за повышенного значения общего тока теплоотдача в кабелях и других распределительных устройствах, в трансформаторах и генераторах. Возьмем, к примеру, в нашем выше приведенном случае при cos(ф) = 1 мощность потерь равную 10 KW. При cos(ф) = 0,6 она повышается на 180% и составляет уже 28 KW. Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитным фактором, неблагоприятным для сети в целом.

В результате этого:

  • 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-0,4 (УКМ-58) - конденсаторные установки, основными элементами которых являются конденсаторы.

Правильная компенсация 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

  • 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.

 

Зачем компенсировать реактивную мощность?

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.

Основные потребители реактивной мощности:

  • асинхронные электродвигатели, 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 косинус фи 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.

Мало нагруженные трансформаторы также имеют низкий коэффициент мощности (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.

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.

 

продольная и поперечная компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности ёмкостного характера

Capacitive reactive power compensation.

Реактивная мощность ёмкостного характера образуется при подключении конденсаторов, протяжённых кабельных линий, при работе перевозбуждённых синхронных машин и др.

Реактивной мощности ёмкостного характера соответствует реактивный ток, который геометрически складывается с активной составляющей тока и повышает полный ток в электроустановке. Дополнительный ток вызывает дополнительные потери, загружает источники и линии электропередачи и др.

Реактивная мощность ёмкостного характера может представлять большую опасность в системах автономного электроснабжения. Это связано с тем, что генератор автономного источника способен обеспечивать вполне определенную ёмкостную нагрузку. Обычно это 12–15 % от величины полной мощности. Превышение этого предела вызывает срабатывание защиты и отключение генератора.

Реактивная мощность ёмкостного характера на присоединениях вдольтрассовых кабельных линий трубопровода перекачки углеводородов.

Для страховки от подобных ситуаций на электростанции приходится запускать дополнительные источники (дизель-генераторы, ГПА и др.). Это приводит к перерасходу топлива, расходных материалов, ресурса первичных двигателей и др.

Другой пример генерации реактивной мощности ёмкостного характера – работа пассивных фильтров ЭМС (Tuned filters).

Пассивный фильтр ЭМС (справа) Конденсаторы пассивного фильтра ЭМС

При работе преобразователей частоты на долевых нагрузках конденсаторы пассивных фильтров ЭМС генерируют в сеть значительную реактивную мощность ёмкостного характера.

Активный фильтр решает задачи компенсации реактивной мощности ёмкостного и индуктивного характера сходным образом.

При работе в режиме динамической компенсации реактивной мощности требуется указать величину «целевого» коэффициента мощности. Высокое быстродействие активного фильтра позволяет устранить влияние источника реактивной мощности ёмкостного характера на коэффициент мощности всей электроустановки. В момент подачи питающего напряжения на конденсаторную батарею/кабельную линию/другой источник ёмкостной реактивной мощности активный фильтр мгновенно начинает генерировать реактивную мощность индуктивного характера для обеспечения постоянства коэффициента мощности в сети.

Предложения Инженерного центра «АРТ».

Полный комплекс работ по созданию систем динамической компенсации реактивной мощности до 9000 квар на базе активных фильтров.

Отправить запрос.

Реактивная мощность светодиодных ламп

Реактивная энергия и мощность

При эксплуатации современного освещения с энергоэффективными источниками света используется понятие реактивная мощность светодиодных ламп. Это мощность, которая не используется, а приводит к потерям на нагрев и излучение, то есть , снижает экономичность. Рассмотрим, это подробнее.

В электрическую цепь переменного тока могут быть включены приборы с разным характером внутреннего сопротивления – активным, индуктивным или емкостным. Например, если это ТЭН (трубчатый электрический нагреватель), греющий воду в бойлере для кухни, на электрической плите или в электрическом чайнике, то это будет полностью активная нагрузка. Она характерна тем, что ток через нее по фазе совпадает с фазой приложенного напряжения.

Если это трансформатор, то его полное сопротивление будет с индуктивной добавкой. Ток в его первичной обмотке будет отставать по фазе от напряжения. Такой же индуктивный характер имеют в электроцепях и все электродвигатели, использующиеся в бытовой технике.

Бытовых электроприборов с емкостным сопротивлением тоже немало:

  • традиционные люминесцентные лампы-трубки;
  • люминесцентные светильники с одной или несколькими лампами;
  • вся современная электронная и радиоаппаратура, имеющая сетевое бестрансформаторное питание т. п.;
  • светодиодные лампы и другие устройства, питающиеся от сети.

Компактные люминесцентные лампы малых габаритов первых выпусков или незадекларированных производителей – это источники света с коэффициентом мощности, чаще всего, на уровне 0,5 – 0,7. Сюда же можно отнести импульсные источники питания для светодиодных устройств безымянных производителей. Блоки питания повышенной мощности по требованиям последних ГОСТ должны быть оснащены корректорами реактивной мощности. Они уменьшают сдвиг по фазе между током и напряжением.

Не откорректированный блок питания в действительности потребляет от сети мощность большую, чем мощность на его выходе. Разница коррелируется с величиной коэффициента мощности (КМ). В устройствах высокого качества компенсация реактивной мощности доходит до уровня 0,98 – 0,99.

Познакомтесь с современными источниками питания серии HTS от компании Arlight. Светотехнические устройства со скомпенсированной реактивной мощность можно купить на сайте «Светомания».

Истинная, реактивная и полная мощность | Коэффициент мощности

Реактивная мощность

Мы знаем, что реактивные нагрузки, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, рассеивают нулевую мощность, но тот факт, что они понижают напряжение и потребляют ток, создает обманчивое впечатление, что они на самом деле рассеивают мощность.

Эта «фантомная мощность» называется реактивной мощностью и измеряется в единицах, называемых вольт-ампер-реактивная мощность (ВАР), а не в ваттах.

Математическим символом реактивной мощности является (к сожалению) заглавная буква Q.

Истинная сила

Фактическая мощность, используемая или рассеиваемая в цепи, называется истинной мощностью , и она измеряется в ваттах (как всегда, обозначается заглавной буквой P).

Полная мощность

Комбинация реактивной мощности и истинной мощности называется кажущейся мощностью и представляет собой произведение напряжения и тока цепи без учета фазового угла.

Полная мощность измеряется в единицах вольт-ампер (ВА) и обозначается заглавной буквой S.

Расчет реактивной, истинной или полной мощности

Как правило, истинная мощность является функцией рассеивающих элементов схемы, обычно сопротивления (R). Реактивная мощность является функцией реактивного сопротивления цепи (X).

Полная мощность - это функция полного импеданса цепи (Z). Поскольку для расчета мощности мы имеем дело со скалярными величинами, любые комплексные начальные величины, такие как напряжение, ток и импеданс, должны быть представлены их полярными величинами , а не действительными или мнимыми прямоугольными составляющими.

Например, если я рассчитываю истинную мощность по току и сопротивлению, я должен использовать полярную величину тока, а не просто «реальную» или «мнимую» часть тока.

Если я вычисляю полную мощность по напряжению и импедансу, обе эти ранее комплексные величины должны быть уменьшены до их полярных величин для скалярной арифметики.

Уравнения, использующие скалярные величины

Существует несколько уравнений мощности, связывающих три типа мощности с сопротивлением, реактивным сопротивлением и импедансом (все с использованием скалярных величин):

Обратите внимание, что для расчета истинной и реактивной мощности используются два уравнения каждое.

Для расчета полной мощности доступны три уравнения, P = IE используется для этой цели только .

Изучите следующие схемы и посмотрите, как эти три типа мощности взаимосвязаны: чисто резистивная нагрузка, чисто реактивная нагрузка и резистивная / реактивная нагрузка.

Только резистивная нагрузка

Истинная мощность, реактивная мощность и полная мощность для чисто резистивной нагрузки.

Только реактивная нагрузка

Истинная мощность, реактивная мощность и полная мощность для чисто реактивной нагрузки.

Активная / реактивная нагрузка

Истинная мощность, реактивная мощность и полная мощность для резистивной / реактивной нагрузки.

Треугольник власти

Эти три типа мощности - истинная, реактивная и полная - связаны друг с другом в тригонометрической форме. Мы называем это треугольником мощности : (рисунок ниже).

Треугольник мощности, связывающий полную мощность с реальной мощностью и реактивной мощностью.

Используя законы тригонометрии, мы можем найти длину любой стороны (количество любого типа мощности), учитывая длины двух других сторон или длину одной стороны и угол.

ОБЗОР:

  • Мощность, рассеиваемая нагрузкой, обозначается как истинная мощность . Истинная мощность обозначается буквой P и измеряется в ваттах (Вт).
  • Мощность, просто поглощаемая и возвращаемая нагрузкой из-за ее реактивных свойств, обозначается как реактивной мощности . Реактивная мощность обозначается буквой Q и измеряется в вольт-амперных реактивных единицах (ВАР).
  • Полная мощность в цепи переменного тока, как рассеиваемая, так и поглощенная / возвращаемая, обозначается как полная мощность . Полная мощность обозначается буквой S и измеряется в вольт-амперах (ВА).
  • Эти три типа власти тригонометрически связаны друг с другом. В прямоугольном треугольнике P = смежная длина, Q = противоположная длина и S = ​​длина гипотенузы.Противоположный угол равен фазовому углу импеданса цепи (Z).

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Мощность

- Что такое реактивная энергия?

В электроэнергетике переменного тока реактивная энергия - это электрическая энергия, которая сохраняется, а не преобразуется в какую-либо другую форму энергии и, таким образом, «используется» или «потребляется». Реактивная мощность - это скорость передачи реактивной энергии от одного элемента накопителя к другому.

На схеме ниже показана типичная передача мощности от электрической сети к точке использования.Напряжение источника подается пользователю и считается идеальным источником однофазного переменного тока. Нагрузку можно представить в виде резистора, включенного параллельно катушке индуктивности. Напряжение источника - это напряжение на обоих компонентах нагрузки.

Ток резистора синфазен с напряжением источника. Форма волны мгновенной мощности резистора представляет собой произведение тока резистора, умноженного на напряжение источника. Эти минимальные точки на этой кривой лежат на оси X. Мощность всегда положительная, что указывает на то, что вся мощность передается от источника к резистору.Площадь под кривой представляет собой энергию, полученную резистором и рассеиваемую в виде тепла.

Ток индуктора отстает от напряжения источника на 90 градусов. Произведение напряжения источника и тока индуктора представляет собой синусоидальную волну, которая имеет положительные и отрицательные значения, среднее значение которых равно нулю. Поскольку это не является реальной мощностью, это называется «вольт-ампер, реактивный» или «переменный ток». Над и под кривой есть равные площади, показывающие энергию, полученную от источника и возвращенную к источнику.Это реактивная энергия.

Показанная как идеальная схема, средняя и чистая передача реактивной энергии равны нулю. Однако есть реальная энергия, которая постоянно движется вперед и назад. В идеальной системе реактивная энергия генерируется при подключении нагрузки, передается взад и вперед, пока нагрузка подключена, и возвращается к источнику при отключении нагрузки. На самом деле при каждой передаче между нагрузкой и генератором теряется около 7% энергии.Компания установит конденсаторные накопители на местных подстанциях или даже на опорах линий электропередачи. Используя свою структуру тарифов, коммунальные предприятия поощряют крупных пользователей поставлять свои собственные конденсаторы.

Общий вольт-ампер (ВА) - это сумма мощности (ватт) и реактивного вольт-ампера (ВАР). Это показано как синусоида, которая опускается ниже нулевой оси.

Данные цепи для выше

Напряжение питания: 240 В среднеквадр., 339,4 В пик.

Ток резистора: 200 Ампер (282.8 шт)

Ток индуктора: 150 А (212,1 пк)

Ток питания: 250 А (353,8 пика)

Мощность: 48 кВт (96 пик-пик)

Реактивная мощность: 36 кВАр (72 пик-пик)

Полная мощность: 60 кВА (120 пик-пик)

нет передачи полезной энергии из-за реактивной составляющей импеданса нагрузки.

Нет чистой энергии, но это только потому, что энергия передается в обоих направлениях.

... реактивная энергия и соответствующие счетчики... какую энергию фактически показывают эти счетчики?

Они считывают скорость передачи энергии туда и обратно.

Если это «реактивная энергия», что они под этим подразумевают?

См. Выше.

... Почему они так определяют?

VAR называются VAR, чтобы отличить энергию, которая передается туда и обратно, от энергии, которая «потребляется». Энергия, которая «потребляется», имеет гораздо более высокую стоимость, чем энергия, которая просто передается туда и обратно, но VAR по-прежнему имеет стоимость.

Коммунальные приборы

Единица измерения, которую мы использовали для выставления счетов за электроэнергию, - киловатт-час. Это площадь под кривой мощности, интегрированной за цикл выставления счетов. Для выработки ископаемого топлива энергия, измеренная счетчиком киловатт-часов, равна содержанию энергии во входящем топливе плюс потери, понесенные при выработке, передаче и распределении энергии. Большинство этих потерь прямо пропорциональны произведенной энергии.

Коммунальные предприятия также могут измерять киловар-часы.Это площадь под кривой var, интегрированной в течение цикла выставления счетов без учета направления потока энергии. Хотя чистая переданная реактивная энергия равна нулю, потери, возникающие при передаче и распределении переменных, прямо пропорциональны общему количеству переданных переменных. Также существуют связанные капитальные затраты на оборудование для производства, передачи и распределения, которые пропорциональны общему количеству переданных вар.

Используемые формулы выставления счетов и измеренные количества определяются отдельными коммунальными предприятиями.Основы в целом схожи, но используются различные конкретные методы.

Список литературы

Основная информация представлена ​​аналогичным образом в учебниках по цепям переменного тока. Вот некоторые ссылки, относящиеся к электроэнергетике:

Институт электричества Эдисона, Справочник по учету электроэнергии

Майкл Бирден, Общие сведения о потоке мощности и соглашениях об именах в Приложения для двунаправленного измерения

Понимание основ реактивной мощности

Реактивная мощность непонятна для не инженеров и важна при проектировании электрических систем, особенно на уровне распределения.Хотя для понимания реактивной мощности требуется знание интегрального исчисления, основные интуитивные представления можно понять без строгого математического исследования. По мере того как системы распределения становятся более сложными с распределенными энергоресурсами и требуют автоматизации, участники отрасли нуждаются в общем понимании значения «мнимой мощности» для эффективности и стабильности системы.

Реактивная мощность - это бесполезная и необходимая электроэнергия

Электроэнергия мощность (P, в ваттах) состоит из напряжения (В в вольтах) и тока (I в амперах).Формула P = V × I. Хорошая аналогия для описания взаимосвязи между напряжением и током - это вода, текущая по реке. Течение - это скорость воды, а напряжение - это наклон реки. Когда становится круче, река ведет себя странно. Скорость течения остается прежней, однако вода становится плотнее, и в результате поток становится тяжелее. Способность потока толкать вас вниз по реке - скорость течения, умноженная на плотность воды (напряжение), - это сила реки.

Кажущаяся мощность реки - если ее просто измерить - включает как поступательное движение, так и нисходящее давление на русло реки. Хотя поступательное движение полезно для выполнения работы (например, для запуска небольшой гидротурбины), давление на русло реки служит только для поддержки потока. Это разница между активной мощностью (P, в ваттах) и реактивной мощностью (VAr, в мнимых ваттах). Отношение реактивной мощности к полной мощности (активная мощность 2 + реактивная мощность 2 ) 1/2 называется коэффициентом мощности .Рассмотрим пример лошади, тянущей железнодорожный вагон.

Пример коэффициента мощности: лошадь и дрезина


Источник: Consolidated Edison

Как показано на изображении выше, изобразите лошадь, которая тянет железнодорожный вагон со стороны пути. Хотя лошадь привязана по диагонали, вагон может двигаться только по рельсам. Сила натяжения веревки - это кажущаяся мощность; только часть этой мощности составляет «рабочая» (реальная) мощность, которая тянет вагон вперед.Из-за угла тяги лошади часть затраченной энергии тратится впустую в виде «нерабочей» (реактивной) мощности. По мере увеличения этого угла соотношение между реальной мощностью и реактивной мощностью уменьшается до тех пор, пока лошадь не отъедет от путей, не двигая вагон вообще. Это соотношение часто рассчитывается как коэффициент мощности: активная мощность, деленная на полную мощность (активная + реактивная).

Огромные отключения электроэнергии в результате сбоев реактивной мощности

Реактивная мощность важна для потока мощности, потому что она помогает регулировать напряжение.Возвращаясь к аналогии с рекой, без русла, которое можно было бы оттолкнуть для поступательного движения, не могло быть потока воды. Увеличение реактивной мощности можно охарактеризовать как повышение крутизны русла при одновременном «выдавливании» воды вперед. Это «сжатие» увеличивает плотность воды и позволяет ей двигаться дальше. Точно так же реактивная мощность имеет решающее значение в линиях передачи для увеличения напряжения на входе и «сжатия» потока на выходе.

Производство реактивной мощности, иногда называемой мнимой мощностью , требует мощности электростанции, но не дает прямой экономической ценности - представьте лошадь, тянущую вагон по диагонали.Для интегрированных монопольных коммунальных предприятий использование электростанций для выработки реактивной мощности компенсируется за счет тарифной базы. Для коммерческих генераторов реактивная мощность отнимается от мощности электростанции, которая вместо этого может производить реальную мощность. Таким образом, реактивная мощность должна компенсироваться в качестве вспомогательной услуги.

14 июля 2003 г. произошло историческое отключение электричества на северо-востоке США и Канады, от которого пострадали около 55 миллионов человек в восьми штатах и ​​одной провинции. Среди причин этого огромного отказа системы серьезный недостаток реактивной мощности был назван важным фактором.В часы, предшествовавшие отключению электроэнергии, спрос на реактивную мощность был особенно высоким из-за больших объемов потоковой передачи на большие расстояния через Огайо в Канаду. В то же время подача реактивной мощности была опасно низкой отчасти из-за отсутствия стимула для выработки реактивной мощности. Сбои реактивной мощности также способствовали отключениям электроэнергии на Западе (1996 г.) и во Франции (1978 г.).

Реактивная мощность возникает в результате задержки между током и напряжением

В цепи постоянного тока (DC) мощность имеет постоянную интенсивность и может течь только в одном направлении.С другой стороны, ток и напряжение в цепях переменного тока (AC) быстро колеблются, и кажется, что мощность течет во всех направлениях. Скорость колебаний обозначается как частота , а задержка между двумя «частотами» - их фазовый угол . Фазовый угол важен как в одном месте, так и между двумя точками. Например, задержка частоты напряжения между начальной и конечной точками провода создает поток мощности .Важным фактором в цепях переменного тока является задержка между колебаниями напряжения и тока в любой отдельной точке. Когда ток и напряжение в одной точке идеально совпадают на в фазе друг с другом и, таким образом, имеют одинаковую синхронизацию, вся мощность, возникающая в результате потока, равна реальной мощности . По мере того, как задержка между током и напряжением увеличивается, увеличивается и величина реактивной мощности - лошадь все больше отдаляется от вагона. Реактивная мощность присутствует, когда ток либо «отстает», либо «опережает» напряжение.

Фазы тока, напряжения и мощности в системе переменного тока


Источник: Отчет MIT Electric Grid of the Future

Препятствия для потоков мощности в линии электропередачи называются сопротивлением . Эти импедансы могут быть сопротивлением или реактивным сопротивлением. Сопротивление - это трение электронов с атомами внутри электрических проводников, которое одинаково влияет как на ток, так и на напряжение, преобразуя небольшое количество энергии в отходящее тепло. Реактивное сопротивление может относиться к электрическим полям или магнитным полям. Электрические поля , влияющие на напряжение, создаются, когда две электрически заряженные металлические пластины помещаются близко друг к другу, не касаясь друг друга. Эти конденсаторы создают напряжение без протекания тока, таким образом эффективно сохраняя и задерживая колебания напряжения относительно тока. Магнитные поля , с другой стороны, заставляют ток совершать «обход» относительно напряжения. Сами по себе электрические линии постоянно накапливают и извлекают переменный ток в магнитном поле, которое вращается вокруг провода.«Катушки индуктивности » - это специально разработанные катушки из проволоки, предназначенные для хранения тока в магнитных полях. Некоторые приборы, такие как электродвигатели и холодильники, обладают индуктивными свойствами.

Когда ток отстает от напряжения, в цепи присутствует положительной реактивной мощности . Наиболее важной причиной положительной реактивной мощности является реактивное сопротивление самих линий электропередач. На всем протяжении линии часть тока совершает «обход» в спиралевидном магнитном поле вокруг линии.Трансформаторы, в которых используются индукторы, также подают положительную реактивную мощность в линии. На границе сети индуктивные приборы, такие как электродвигатели и холодильники, также вносят положительную реактивную мощность.

Поскольку более высокая реактивная мощность соответствует более высокому напряжению, слишком большая положительная реактивная мощность в одной части сети может вызвать резкое падение напряжения. Чтобы компенсировать реактивное сопротивление линий электропередач, трансформаторов и индуктивных устройств, необходимо обеспечить достаточную подачу отрицательной реактивной мощности.Эта услуга может предоставляться электростанциями, хотя и за счет реальной выработки электроэнергии и ограничена пропускной способностью передачи. В качестве альтернативы, отрицательная реактивная мощность может использоваться ниже по потоку для улучшения потока мощности. Например, конденсаторы, расположенные ниже по потоку рядом с трансформаторами и индуктивными нагрузками, могут использоваться для уменьшения падений напряжения там, где это наиболее необходимо. Некоторые электрические устройства, такие как интеллектуальные инверторы, также могут локально стабилизировать реактивную мощность.

Регулирование реактивной мощности в системе распределения электроэнергии

Хотя реактивная мощность важна для стабильности напряжения при передаче, слишком большая положительная реактивная мощность в системе распределения влияет на энергоэффективность.Возвращаясь к примеру с лошадью и железнодорожным вагоном, увеличение угла тяги снижает количество реальной мощности, прикладываемой к железнодорожному вагону. В 2011 году компания Consolidated Edison в Нью-Йорке ввела плату за реактивную мощность, чтобы наказать крупных потребителей электроэнергии с неэффективным индукционным оборудованием. Коммунальное предприятие рекомендует крупным клиентам устанавливать конденсаторы рядом с индуктивными нагрузками, циклически повторять работу индуктивного оборудования и модернизировать свои предприятия более эффективным оборудованием, чтобы поддерживать коэффициент мощности выше 95%.

Реактивная мощность - задержка между напряжением и током в заданной точке - подвержена ограничениям передачи. В результате часто необходимо производить реактивную мощность вблизи того места, где она необходима. Кроме того, некоторым приборам, таким как электродвигатели, требуется отрицательная реактивная мощность для правильной работы своих магнитов. Таким образом, подача реактивной мощности на месте намного эффективнее, чем получение ее издалека. Именно здесь распределенные энергоресурсы могут принести значительные выгоды для регулирования реактивной мощности.

Согласно SDG & E, интеллектуальные инверторы могут эффективно регулировать реактивную мощность с небольшими дополнительными затратами. В январе 2014 года Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии выпустила технический отчет, в котором рекомендуются стандарты возможностей интеллектуальных инверторов. PJM также выступила с убедительными заявлениями в поддержку интеллектуальных инверторов для регулирования реактивной мощности. Согласно документам рабочей группы IEEE 1547, «результаты […] моделирования показывают, что реальный и реактивный противоток не является существенной проблемой и что никаких существенных изменений в работе фидера не требуется вносить на высоких уровнях [умного] инвертор проникновения .«В апреле 2014 года FERC опубликовала отчет персонала с изложением методик компенсации реактивной мощности в качестве дополнительной услуги. С добавлением новых возможностей «умных сетей», таких как автоматизация, прогнозная аналитика и локальная координация, реактивная мощность может стать той лошадью, которую мы можем приручить.

9.1.1 Реактивная мощность | EBF 483: Введение в рынки электроэнергии

Реактивная мощность - это очень сложное для технологического понимания понятие, но довольно простое с экономической точки зрения.Здесь мы сосредоточимся на экономике, но для этого нам нужно немного понять физику. Если вы хотите узнать больше о загадочной природе реактивной мощности, я настоятельно рекомендую вам прочитать прекрасную книгу Александрии фон Мейер Power Systems: A Conceptual Introduction .

Напомним с самого начала термина, что электроэнергия на самом деле состоит из двух компонентов: тока и напряжения. В системе переменного тока производимые ток и напряжение непостоянны.Оба являются синусоидальными волнами с частотой 60 циклов в секунду или 60 Гц (эта «частота» является важным понятием, к которому мы вернемся позже в этом уроке). Если волны напряжения и тока достигают пика в одно и то же время, как показано на панели (а) рисунка ниже, говорят, что они находятся «в фазе». Если волны напряжения и тока не достигают пика в одно и то же время, как показано на панели (b) рисунка ниже, то говорят, что они «не в фазе».

Энергосистемам необходимо, чтобы напряжение и ток были как можно более "синфазными".Если бы единственными устройствами, которые были подключены к системам питания, были простые резисторы (например, лампочка или обычный тостер), тогда было бы несложно поддерживать фазу системы питания. Некоторые типы повседневных устройств, такие как кондиционеры, холодильники, насосы для бассейнов или что-либо еще, в котором используется электродвигатель, могут фактически сбивать напряжение и ток в фазе. Эти устройства иногда называют «индуктивными нагрузками», потому что они потребляют ток, но могут снижать напряжение, или они создают слабое электромагнитное поле, которое может сдвинуть напряжение по фазе с током.

Если напряжение оказывается не в фазе с током, это уменьшает количество мощности, которое может быть доставлено (помните, что мощность = напряжение, умноженное на ток), и некоторые из этих индуктивных нагрузок могут не работать (а лампочки могут не работать. такие же яркие и т. д.). Разница в фазе между напряжением и током или то, какое дополнительное напряжение потребуется для восстановления синфазности системы, называется реактивной мощностью.

Мощность, которую мы фактически потребляем (напряжение, умноженное на ток), иногда называют «реальной мощностью», чтобы отличить ее от реактивной мощности.В этом классе, если мы просто используем термин «мощность», то он всегда будет относиться к реальной мощности.

Это подводит нас к первому экономическому принципу реактивной мощности: реальная мощность и реактивная мощность дополняют потребление. Многим устройствам, использующим электричество, требуется не только реальная мощность для выполнения своих основных функций, но и реактивная мощность, чтобы компенсировать влияние, которое эти устройства оказывают на напряжение.

Когда энергосистеме требуется больше реактивной мощности, ее можно эффективно вырабатывать на электростанции.Помните, что большинство электростанций вырабатывают электричество через катушку провода, вращающуюся в магнитном поле. (Как быстро эта катушка вращается? 60 раз в секунду, или 60 Гц, что соответствует частоте формы волны напряжения и тока). Если волны напряжения и тока не совпадают по фазе, это можно исправить, отрегулировав силу магнитного поля, которое оператор электростанции может сделать, слегка перемещая катушку с проводом. Это то, что мы называем «производством» реактивной мощности.Слово «добыча» здесь вводит в заблуждение, поскольку реактивная мощность - это не вещь (например, молекула газа или капля нефти) или сила (например, электричество). Но мы используем этот термин как своего рода сокращение.

Однако есть одна загвоздка, которая подводит нас ко второму экономическому принципу реактивной мощности: реактивная мощность и реальная мощность являются заменителями в производстве. Если электростанция хочет производить больше реактивной мощности, она должна немного снизить выработку реальной мощности. Сколько именно определяется техническим проектом силовой установки.Поскольку реактивная мощность не является ни объектом, ни силой, производство реактивной мощности не требует прямых затрат. Однако для электростанции существуют альтернативные издержки в виде упущенного реального производства электроэнергии.

Некоторые специализированные устройства, такие как батареи конденсаторов, также могут обеспечивать реактивную мощность. Однако с запасом зачастую дешевле производить реактивную мощность на существующей электростанции, чем строить новую батарею конденсаторов. Многие такие конденсаторные батареи действительно существуют в реальных энергосистемах, особенно вблизи городов, где строительство электростанций может быть затруднено.

До реструктуризации электроэнергетики электроэнергетические компании корректировали выработку электростанций, когда требовалось больше реактивной мощности. Экономические затраты на это были усвоены коммунальным предприятием - если системе потребовалась бы такая большая реактивная мощность, что она значительно увеличила бы стоимость выработки реальной мощности, эти затраты проявились бы в виде более высоких тарифов на электроэнергию.

Однако в регионах, где была проведена реструктуризация электроэнергетики, ни одна электростанция не будет добровольно обеспечивать реактивную мощность, потому что это будет означать меньшую реальную мощность, которую она могла бы продать на рынке.PJM и другие операторы рынка обычно решают эту проблему, требуя от генераторов производить реактивную мощность по запросу, при этом любое упущенное потребление реальной мощности компенсируется на основе альтернативных затрат. Например, если генератору предлагается уменьшить выходную мощность на 1 МВтч для увеличения реактивной мощности, и если рыночная цена составляет 25 долларов за МВтч, то генератору будет выплачена компенсация в 25 долларов за это действие по увеличению реактивной мощности.

Основы компенсации реактивной мощности (Часть 2)

Индуктивные элементы, такие как трансформаторы и намагничивающие катушки в двигателях переменного тока, накапливают энергию в своем магнитном поле.Направление магнитного поля (таково, что оно) противодействует изменению напряжения. Таким образом, когда напряжение питания увеличивается, сетевое напряжение на индуктивном элементе увеличивается медленнее из-за противоположного напряжения, индуцированного индуктивным элементом. Поскольку ток пропорционален напряжению, также ток в цепи отстает от напряжения питания . В чисто индуктивной цепи ток отстает от напряжения переменного тока на 90 градусов.

Емкостные элементы, такие как конденсаторы, кабели и воздушные линии, накапливают энергию в своем электрическом поле.Когда заряд емкостного элемента равен нулю, электрическое поле и напряжение на элементе также равны нулю. Таким образом, когда на емкостной элемент подается напряжение, элемент мгновенно представляет собой короткое замыкание, и ток достигает максимума. Когда заряд накапливается, напряжение, создаваемое электрическим полем, увеличивается, а общее напряжение в цепи уменьшается. Следовательно, ток тоже уменьшается. В чисто емкостной схеме ток опережает напряжение на 90 градусов.

На рис. 1 показаны токи в чисто индуктивной цепи и в чисто емкостной цепи. На рисунке 2 показаны соответствующие мощности.

Рисунок 1: Индуктивный ток отстает от напряжения на 90 °, емкостный ток отводит напряжение на 90 °.

Рис. 2: Мгновенная мощность в чисто резистивной цепи и в чисто емкостной цепи в течение одного сетевого цикла.

Из рисунка 2 видно, что, в отличие от резистивной цепи, в емкостной или индуктивной цепи мгновенная мощность колеблется между отрицательным и положительным максимумом, усредняясь до нуля в течение одного сетевого цикла.Мощность, возвращаемая к источнику в каждом цикле, называется мнимой мощностью или реактивной мощностью . Никакая чистая энергия не может быть передана с помощью реактивной мощности.

В практических сетях используются как резистивные, так и реактивные нагрузки. Полная мощность представляет собой векторную сумму активной мощности и реактивной мощности и известна как полная мощность . На рисунке 3 показаны три степени в векторном формате.

Рисунок 3: Активная мощность P, реактивная мощность Q и полная мощность S.

Часть активной мощности P полной мощности основной частоты S 1 называется коэффициентом мощности или, точнее, смещающим коэффициентом мощности (DPF). DPF рассчитывается как

, где ϕ 1 - фазовый угол между напряжением основной частоты и током. Слово «смещение» в DPF указывает смещение между фазовыми углами напряжения и тока в реактивной нагрузке.В трехфазной системе полная мощность, активная мощность и реактивная мощность рассчитываются по формулам (2) - (4) соответственно.

Реактивная мощность, вырабатываемая на месте, становится все более важной по мере того, как солнечная энергия и электромобили становятся все более популярными - pv magazine USA

Нередко путешествовать по району и видеть несколько домов с солнечными панелями на крыше или заезжать на парковку вашего продуктового магазина и смотреть электромобили подключены к зарядным станциям. Переход к электрической экономике ускоряется, а спрос на чистую энергию для питания энергосистем потребителя (как правило, солнечной энергии и аккумуляторов) и электромобилей (ЭМ) растет.

Параллельно с электрификацией экономики производство чистой энергии на основе потребителей также приближается к точке перелома. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что емкость рынка возобновляемых источников энергии вырастет на 50 процентов в период с 2019 по 2024 год.

Поразительно, но эта мощность будет опережать электрификацию транспорта, которая ускоряется во всех точках транспорта, начиная со скутеров и мотоциклов последней мили, частные автомобили на автобусы, железнодорожные, морские перевозки и даже воздушные перевозки.Фактически, недавние отчеты о продажах показывают, что глобальные объемы электромобилей за первую половину 2019 года указывают на 46-процентное увеличение по сравнению с первой половиной 2018 года.

Перед лицом этих изменений в потребительском спросе и производстве текущая сеть работает на том же уровне. Модель, которую он использует за последние 100 лет: его основная цель - производить все компоненты энергии, реальной и реактивной мощности, и доставлять их в форме волны, требуемой потребителями. Для этого система передачи и распределения электроэнергии, «сеть», продолжает полагаться на выработку реальной и реактивной мощности вращающимися генераторами.

От вращающихся генераторов, расположенных на большом расстоянии от потребителей, электроны передаются через сеть с высоким напряжением, которое понижается до тех пор, пока реальная и реактивная мощность не будет доставлена ​​потребителям при низком напряжении. Эта модель созрела для новых достижений - в частности, достижений в том, как производится и используется реактивная мощность, и как эффективно интегрировать возобновляемые источники энергии для удовлетворения спроса

Существует причина для реактивной мощности

Системы переменного тока используют или производят два типы мощности для работы: активная мощность, измеряемая в ваттах; и реактивная мощность, измеряемая в реактивных вольт-амперах или в барах (комбинация реальной и реактивной мощности является полной мощностью).Реальная мощность действительно работает (работающие двигатели, осветительные лампы) - в то время как реактивная мощность поддерживает напряжение, необходимое для включения двигателя или системы переменного тока, и поддерживает баланс реальной мощности и позволяет двигателю или системе работать эффективно.

Для работы цепи переменного тока полной мощности должно быть достаточно, чтобы соответствовать требованиям цепи по току и напряжению. Когда недостаточная реактивная мощность падает, и цепь может выйти из строя - это означает, что недостаточная реактивная мощность может привести к заклиниванию и остановке двигателя или к потере или отключению некоторых частей сети.

Сеть вырабатывает реактивную мощность для передачи энергии и доставки ее потребителям для работы с оборудованием переменного тока. Но реактивную мощность трудно передать на большие расстояния и при высоком напряжении из-за неэффективности, связанной с потерями в линии, и, следовательно, она, соответственно, дорога. Подача реактивной мощности на месте существенно снижает загруженность распределительной сети, что повышает эффективность, а также снижает стоимость комбинированной реальной и реактивной мощности, поставляемой потребителям.

Распределенные энергоресурсы и проблема реактивной мощности

Увеличение распределенных энергетических ресурсов (DER), обычно солнечных и накопительных, создает уникальные проблемы для сети.Традиционные солнечные системы и системы хранения не производят реактивную мощность динамически или даже статически без потери реальной мощности. Таким образом, даже если у вас есть солнечные панели, вырабатывающие энергию на вашей крыше, вы все равно потребляете (и платите за) реактивную мощность из сети, потому что ваши панели вырабатывают только один вид энергии, необходимый для работы оборудования переменного тока. А для сети это означает, что она должна генерировать и отдавать реактивную мощность для удовлетворения растущей потребности в переменной энергии.

Несмотря на эти трудности, концепция использования генерирующих потребителей DER получает поддержку как средство удовлетворения переменного потребительского спроса и обеспечения сети поддержкой напряжения.Само расположение DER на объектах потребителей, где используется энергия, делает их идеальными для производства реактивной мощности для поддержки потребительского спроса и, по мере развития рынков, для поддержки сети. Сложность использования DER для поддержки местного производства реактивной мощности заключается в способности современной силовой электроники динамически вырабатывать реактивную мощность и реагировать в течение нескольких секунд для управления этим компонентом энергии по мере необходимости.

Благодаря передовым технологическим решениям чистая энергия, производимая потребителями - в жилых домах, коммерческих зданиях, местах зарядки электромобилей и транспортных узлах, - может управляться в цифровом виде для динамического производства как реальной, так и реактивной мощности для удовлетворения потребностей потребителей и для поддержки сети.

Преимущества производства реактивной мощности динамически и локально за доли секунды

Итак, какую пользу вам дает динамическая локально генерируемая реактивная мощность? Все потребители оплачивают реактивную мощность - либо как встроенные затраты на передачу, либо как прямую плату за реактивную мощность. Для некоторых клиентов эта плата может быть значительной, и возможность динамического производства реактивной мощности за доли секунды может дать значительную экономию.

Примером может служить традиционный солнечный дом, привязанный к сетке.Поскольку солнечная энергия генерирует только реальную мощность, реактивная мощность не может поставляться локально. Вместо этого он должен обеспечиваться сетью и распределяться по линиям электропередачи. Затем потребители получают дополнительную плату (KVAR) в счет за уровень реактивного производства, происходящего за пределами площадки. Используя технологии, которые генерируют реальную и реактивную мощность на месте, производство солнечной энергии может быть оптимизировано для увеличения полезной энергии для потребителей. Чем больше солнечной энергии вырабатывается на месте и чем она лучше, тем более ценна энергия для потребителей и более выгодна для сети.

Передовая технология, позволяющая обновить способы производства и использования энергии, существует сегодня. Одним из примеров является небольшая солнечная система (без хранилища), которую Apparent установил в комплексе кондоминиумов в центре Гонолулу. Комплекс имел высокие реактивные нагрузки из-за постоянного использования лифтов, вентиляции и кондиционирования воздуха и освещения. Местное коммунальное предприятие Hawaiian Electric (HECO) выставило счет за реактивную нагрузку здания по средней цене 50 000 долларов в месяц.

После установки солнечной системы комплекс кондоминиумов снизил реактивную мощность, которую он требовал от HECO, более чем на 50 процентов, что привело к значительной экономии затрат, в среднем более 100000 долларов в год, даже несмотря на то, что комплекс увеличил потребление энергии, а HECO увеличила ставки.Эта значительная экономия затрат была достигнута за счет динамического производства реактивной мощности, удовлетворяющего потребности комплекса за доли секунды. Если бы система не могла обеспечить потребность комплекса в реактивной мощности локально и по мере необходимости, она бы полагалась на HECO для удовлетворения этих потребностей.

Хотя очевидно, что локальное производство всех компонентов энергии может принести пользу потребителям, производство реактивной мощности на местном уровне также дает преимущества для сети. Локальное производство реактивной мощности позволяет коммунальным предприятиям более эффективно управлять мощностью сети, сокращать избыточное предложение и лучше прогнозировать потребности в энергии.В приведенном выше примере после того, как система Гонолулу проработала более года, коммунальное предприятие увеличило размер межсетевого соединения комплекса кондоминиумов из-за выгод для местной сети. Снижение потребительского спроса на реактивную мощность имеет каскадные преимущества в виде снижения затрат, которые в конечном итоге оплачиваются плательщиками коммунальных платежей, включая техническое обслуживание инфраструктуры, а также снижение затрат и уменьшение загрязнения воздуха, обусловленное сокращением избыточной генерации от вращающихся генераторов.

Ускорение производства электроприборов, внедрение солнечных систем и систем хранения, электромобили и, в более широком смысле, стремительно электрифицированная экономика не требует, как многие жалуются, дорогостоящего капитального ремонта сетевой инфраструктуры.Когда передовые технологии производят точное сочетание реальной и реактивной мощности там и тогда, когда это необходимо, потребители и сеть получают выгоду - и такие передовые технологии существуют сегодня. По мере того, как потребители и операторы сетей внедряют эти технологии, они будут генерировать более чистую энергию с меньшими затратами и добиться экономической эффективности, связанной с улучшенным управлением электрической сетью.

***
Жаклин ДеСуза - президент компании Apparent. Ранее она работала в частной юридической и консалтинговой фирме, которую она основала для работы со стартапами и развивающимися компаниями.Она получила степень бакалавра наук по международной экономике и математике в Университете Джорджа Мейсона и докторскую степень в юридическом колледже Гастингсского университета Калифорнии.

Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения pv magazine .

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, пожалуйста, свяжитесь с нами: editors @ pv-magazine.com.

Определение реактивной мощности - Руководство по электрическому монтажу

Для большинства электрических нагрузок, таких как двигатели, ток I отстает от напряжения V на угол φ.

Если токи и напряжения являются идеально синусоидальными сигналами , для представления может использоваться векторная диаграмма.

На этой векторной диаграмме вектор тока можно разделить на две составляющие: одна в фазе с вектором напряжения (компонент I a ), другая в квадратуре (отставание на 90 градусов) с вектором напряжения (компонент I r ).См. Рис. L1.

I a называется активной составляющей тока.

I r называется реактивной составляющей тока.

Рис. L1 - Векторная диаграмма токов

Предыдущая диаграмма, составленная для токов, также применима к мощности путем умножения каждого тока на общее напряжение V. См. Рис. L2.

Таким образом, мы определяем:

  • Полная мощность : S = V x I (кВА)
  • Активная мощность : P = V x Ia (кВт)
  • Реактивная мощность : Q = V x Ir (квар)

Рис.{2}}

Коэффициент мощности, близкий к единице, означает, что полная мощность S минимальна. Это означает, что мощность электрического оборудования минимальна для передачи данной активной мощности P на нагрузку. Тогда реактивная мощность мала по сравнению с активной. мощность.

Низкое значение коэффициента мощности указывает на противоположное состояние.

Полезные формулы (для сбалансированных и почти сбалансированных нагрузок в 4-проводных системах):

  • Активная мощность P (в кВт)
    • Однофазный (1 фаза и нейтраль): P = V.I.cos φ
    • Однофазный (между фазами): P = U.I.cos φ
    • Трехфазный (3 провода или 3 провода + нейтраль): P = √3.U.I.cos φ
  • Реактивная мощность Q (в квар)
    • Однофазный (1 фаза и нейтраль): Q = V.I.sin φ
    • Однофазный (между фазами): Q = U.I.sin φ
    • Трехфазный (3 провода или 3 провода + нейтраль): Q = √3.U.I.sin φ
  • Полная мощность S (в кВА)
    • Однофазный (1 фаза и нейтраль): S = V.Я
    • Однофазный (между фазами): S = U.I
    • Трехфазный (3 провода или 3 провода + нейтраль): S = √3.U.I

где:

В = Напряжение между фазой и нейтралью
U = Напряжение между фазами
I = Линейный ток
φ = Фазовый угол между векторами V и I.

Пример расчета мощности (см.

Рис. L3)

Рис. L3 - Пример расчета активной и реактивной мощности

Тип цепи Полная мощность S (кВА) Активная мощность P (кВт) Реактивная мощность Q (квар)
Однофазный (фаза и нейтраль) S = VI P = VI cos φ Q = VI sin φ
Однофазный (между фазами) S = UI P = UI cos φ Q = UI sin φ
Пример: нагрузка 5 кВт, cos φ = 0.5 10 кВА 5 кВт 8,7 квар
Трехфазное 3-проводное или 3-проводное + нейтраль S = 3 {\ displaystyle {\ sqrt {3}}} пользовательского интерфейса P = 3 {\ displaystyle {\ sqrt {3}}} UI cos φ Q = 3 {\ displaystyle {\ sqrt {3}}} грех пользовательского интерфейса φ
Пример Двигатель Pn = 51 кВт 65 кВА 56 кВт 33 квар
cos φ = 0,86
ρ = 0.91 (КПД двигателя)

Расчеты для трехфазного примера, приведенного выше, следующие:

Pn = поставленная мощность на валу = 51 кВт

P = потребляемая активная мощность

P = Pnρ = 510,91 = 56 кВт {\ displaystyle P = {\ frac {Pn} {\ rho}} = {\ frac {51} {0.91}} = 56 \, кВт}

S = полная мощность

S = Pcosφ = 560,86 = 65 кВА {\ displaystyle S = {\ frac {P} {cos \ varphi}} = {\ frac {56} {0.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *