В каких единицах выражается реактивная мощность потребителей: Что такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока? Электрическая мощность В каких единицах выражается мощность

В чем разница между кВт и кВа?

В разделе «Справочная информация» содержатся пояснения о различных терминах, используемых при описании технических характеристик оборудования, которые неподготовленному человеку бывает нелегко понять.

Различия «кВА» и «кВт»

Зачастую, в прайсах различных производителей электрическая мощность оборудования указывается не в привычных киловаттах (кВт), а в «загадочных» кВА (киловольт-амперах). Как же понять потребителю сколько «кВА» ему нужно?

Существует понятие активной (измеряется в кВт) и полной мощности (измеряется в кВА).

Полная мощность переменного тока есть произведение действующего значения силы тока в цепи и действующего значения напряжения на её концах. Полную мощность есть смысл назвать «кажущейся»,так как эта мощность может не вся участвовать в совершении работы. Полная мощность – это мощность передаваемая источником, при этом часть её преобразуется в тепло или совершает работу (активная мощность), другая часть передаётся электромагнитным полям цепи – эта составляющая учитывается введением т.

Полная и активная мощность — разные физические величины, имеющие размерность мощности. Для того, чтобы на маркировках различных электроприборов или в технической документации не требовалось лишний раз указывать, о какой мощности идёт речь, и при этом не спутать эти физические величины, в качестве единицы измерения полной мощности используют вольт-ампер вместо ватта.

Если рассматривать практическое значение полной мощности, то это величина, описывающая нагрузки, реально налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи, генераторные установки…), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Отношение активной мощности к полной мощности цепи называется коэффициентом мощности.

Коэффициент мощности (cos фи) есть безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент мощности показывает, насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига.

Значения коэффициента мощности:

Большинство производителей определяют потребляемую мощность своего оборудования в Ваттах.

В случае, если потребитель не имеет реактивной мощности (нагревательные приборы – такие как чайник, кипятильник, лампа накаливания, ТЭН), информация о коэффициенте мощности неактуальна, в виду того, что он равен единице. То есть в таком случае полная мощность, потребляемая прибором и необходимая для его эксплуатации, равна активной мощности в Ваттах.

P = I*U*Сos (fi) →

P = I*U*1 →

P=I*U

Пример: В паспорте электрического чайника указана потребляемая мощность – 2 кВт. Это значит, что и полная мощность, необходимая для успешного функционирования прибора, составит 2 кВА.

Если же потребителем является прибор, имеющий в своем составе реактивное сопротивление (емкость, индуктивность), в технических данных всегда указывается мощность в Ваттах и значение коэффициента мощности для данного прибора. Это значение определяется параметрами самого прибора, а конкретно – соотношением его активных и реактивных сопротивлений.

Пример: В техническом паспорте перфоратора указана потребляемая мощность – 5 кВт и коэффициент мощности (Сos(fi)) – 0. 85. Это значит, что полная мощность, необходимая для его работы, составит

Pполн.= Pакт./Cos(fi)

Pполн.= 5/0.85= 5,89 кВА

При выборе генераторной установки часто возникает резонный вопрос – «Сколько же мощности она все-таки сможет выдать?». Это обусловлено тем, что в характеристиках генераторных установок указывается полная мощность в кВА. Ответом на этот вопрос и служит данная статья.

Пример: Генераторная установка мощностью 100 кВА. Если потребители будут иметь только активное сопротивление, то кВА=кВт. Если также будет присутствовать и реактивная составляющая, то надо учитывать коэффициент мощности нагрузки.

Именно поэтому в характеристиках генераторных установок указывается полная мощность в кВА. А уж как Вы ее будете использовать – решать только Вам.

Компенсация реактивных мощностей

Параметры режимов электрических систем

Режим работы электрической системы характеризуется значениями показателей ее состояния, называемых параметрами режимов.

1. .12%, для гидростанций — 0,5… 1 % от мощности электростанции.

Равенство (4) позволяет определить рабочую активную мощность системы. Располагаемая мощность генераторов Рг.расп системы несколько больше, чем рабочая мощность в режиме максимальных нагрузок Pr.max; требуется учитывать необходимость резервирования при аварийных и плановых (ремонтных) отключениях части основного оборудования электроэнергетической системы:

(5)
где
Рг рез — мощность резерва системы, который должен быть не меньше 10% ее рабочей мощности.
При нарушении баланса активных мощностей, например, если

(6)
происходит снижение частоты в системе.

Баланс реактивных мощностей

В электрической системе суммарная генерируемая реактивная мощность должна быть равна потреб- мощности, источниками которой являются только генераторы электростанций, реактивная мощность генерируется как ими, так и другими источниками, к которым относятся воздушные и кабельные линии разных напряжений (Эл, а также установленные в сетях источники реактивной мощности (ИРМ) (компенсирующие устройства — КУ) мощностью Q

1. недостаток реактивной мощности в системе влечет за собой снижение напряжения в узлах электрических сетей и у потребителей.

Для получения баланса реактивных мощностей вблизи основных потребителей реактивной мощности устанавливают дополнительные источники с выдаваемой реактивной мощностью QKy.
При избытке реактивной мощности в системе, т.е.
при
(10)
в элементах электрической сети возникают перетоки реактивной мощности, встречные направлению потоков активной мощности, что приводит к повышению напряжений в узлах и увеличению потерь мощности. Данный режим характерен для периода минимальных нагрузок в системе.
Отсюда возникает задача оптимизации режима реактивной мощности в системе электроснабжения промышленного предприятия, выбора типа и мощности, а также места установки компенсирующих устройств.
В системах электроснабжения городов с коммунально-бытовой нагрузкой компенсирующие устройства обычно не устанавливаются.
В качестве средств компенсации реактивной мощности используются статические конденсаторы напряжением до и выше 1 кВ и синхронные двигатели.

Исходные положения по компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий

При выборе средств компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий необходимо различать две группы промышленных сетей в зависимости от состава их нагрузок:

1. сети общего назначения с режимом прямой последовательности основной частоты 50 Гц;
2. сети со специфическими нелинейными, несимметричными и резкопеременными нагрузками.

В данном разделе рассматриваются вопросы компенсации реактивной мощности в промышленных сетях общего назначения.
На начальной стадии проектирования определяются наибольшие суммарные расчетные нагрузки
КУ) коэффициенте реактивной мощности Ррасчпп, QP
расчпп
Наибольшая суммарная нагрузка предприятия, принимаемая для определения мощности компенсирующих устройств,
(11)
где
1_0 тах — коэффициент, учитывающий несовпадение по времени наибольшей активной нагрузки системы и реактивной мощности промышленного предприятия. Значения для разных отраслей промышленности Lomax= 0,75…0,95.
Значения наибольших реактивной и активной нагрузок предприятия сообщаются в энергосистему для определения значения экономически оптимальной реактивной мощности, которая может быть передана предприятию в режимах наибольшей и наименьшей активных нагрузок энергосистемы, соответственно Оэ1 и Оэ2.
По реактивной мощности Оэ1 определяется суммарная мощность компенсирующих устройств предприятия, а в соответствии с заданным значением Оэ2 — регулируемая часть компенсирующих устройств.
Суммарная мощность компенсирующих устройств:
(12)
В период минимальных активных нагрузок системы входная реактивная мощность предприятия должна быть равна Оэ2, для чего требуется отключение части установленной на предприятии мощности КУ.

Основные потребители реактивной мощности на промышленных предприятиях

Рассмотрим основные виды электроприемников различного технологического назначения, электропотребителей разных отраслей промышленности, характер их нагрузок и особенности режимов работы.
Электродвигатели применяются в приводах различных производственных механизмов на всех промышленных предприятиях. Электропривод представляет собой комплекс электрических машин, аппаратов и систем управления, в котором электродвигатели конструктивно связаны с исполнительным механизмом и преобразуют электрическую энергию в механическую работу. В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются исключительно электроприводы переменного тока (асинхронные и синхронные двигатели).
го тока — основной вид электроприемников в промышленности, на долю которого приходится около 2/3 суммарной мощности. Доля электропотребления асинхронными двигателями напряжением 0,38 кВ составляет 52% в машиностроении.
Электротермия, электросварка, электролиз и прочие потребители составляют около 1/3 суммарной промышленной нагрузки.
Электротермические приемники в соответствии с методами нагрева делятся на следующие группы: дуговые электропечи для плавки черных и цветных металлов, установки индукционного нагрева, для плавки и термообработки металлов и сплавов, электрические печи сопротивления, электросварочные установки, термические коммунально-бытовые приборы.
Наибольшее распространение в цеховых электрических сетях напряжением 0,38 кВ имеют печи сопротивления и установки индукционного нагрева. Печи сопротивления прямого и косвенного действия имеют мощность до 2000 кВт и подключаются к сети напряжением: 0,38 кВ, коэффициент мощности близок к 1,0.
Индукционные плавильные печи промышленной и повышенной частоты представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы. Печи повышенной частоты питаются от вентильных преобразователей частоты, к которым подводится переменный ток напряжением 0,4 кВ. Индукционные печи имеют низкий коэффициент мощности: от 0,1 до 0,5.
Электросварочные установки переменного тока дуговой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 — для дуговой сварки и 0,7 — для контактной.


Электрохимические и электролизные установки работают на постоянном токе, который получают от преобразовательных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности установок — 0,8.. .0,9.
Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми, ртутными, натриевыми, ксеноновыми лампами применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения. В производственных цехах в настоящее время применяются преимущественно дуговые ртутные лампы высокого давления типов ДРЛ и ДРИ 220 В.Аварийное освещение, составляющее 10% общего, выполняется лампами накаливания. Лишь лампы накаливания имеют коэффициент мощности 1,0.

Потребление реактивной мощности асинхронными двигателями

В настоящее время наиболее распространенное выражение реактивной нагрузки асинхронного двигателя (АД) имеет вид:
(13)
где
qH0M — номинальная реактивная мощность АД, которая может быть определена по паспортным данным двигателя.

(14)
После некоторых преобразований получим выражение полной реактивной нагрузки:
(15)
где
Ри„„. — номинальная полезная активная мощность на валу, указываемая на заводском щитке;
1Н0М — номинальное фазное значение тока статора;
lx х — ток холостого хода электродвигателя; т|ном — коэффициент полезного действия;
К3 = р/рном — коэффициент загрузки АД по активной мощности;
tgφnoM — коэффициент реактивной мощности, соответствующий номинальному коэффициенту мощности cosφHOM, указанному на щитке.
Для удобства расчетов преобразуем формулу

1. в следующую:

(16)
где
(17)
Здесь UH0M — номинальное напряжение двигателя, 1х х — относительный ток холостого хода АД.
На рис. 1 и 2 приведены зависимости коэффициентов а1 и Р1 от активной номинальной мощности Рно„ при числе пар полюсов п = 1, 2, 3, 4 для короткозамкнутых АД серии 4А.

сит от К3 АД и определяется следующим выражением:

Рис. 1. Г рафик зависимостей коэффициента а1 от активной номинальной мощности АД
tgφ = аКз + р/К3,                           (18)
На рис. 3 представлены графики зависимостей tgφAfl = /(К3) для АД различных групп мощностей.

7. Источники реактивной мощности (компенсирующие устройства)

На промышленных предприятиях применяют следующие компенсирующие устройства:

Рис. 2. График зависимостей коэффициента от активной номинальной мощности и числа пар полюсов п АД

1. для компенсации реактивной мощности — синхронные двигатели и параллельно включаемые батареи силовых конденсаторов;
2. для компенсации реактивных параметров передачи — батареи силовых конденсаторов последовательного включения.

Рис. 3. График зависимостей коэффициента реактивной мощности от коэффициента загрузки для АД различных групп мощностей
Синхронные двигатели как источник реактивной мощности. Основное назначение синхронных двигателей — выполнение механической работы, следовательно, он является потребителем активной мощности. При перевозбуждении СД его Э. Д. С. больше напряжения сети, в результате вектор тока статора опережает вектор напряжения, т. е. имеет емкостной характер, а СД выдают реактивную мощность. При не до возбужден ии СД является потребителем реактивной мощности. При некотором режиме возбуждения СД его коэффициент мощности равен единице. Изменение тока возбуждения позволяет плавно регулировать генерируемую СД реактивную мощность. Затраты на генерацию двигателями реактивной мощности определяются в основном стоимостью связанных с этим потерь активной мощности в самом двигателе. Потери активной мощности в СД зависят от генерируемой ими реактивной мощности, причем, чем меньше номинальная мощность СД и его частота вращения, тем больше эти потери. Для быстроходных СД удельный расход активной мощности составляет около 10 Вт/квар; для СД с частотой вращения 300… 500 об/мин — около 20… 30 Вт/квар; для СД с частотой вращения 50… 100 об/мин — около 60.. .85 Вт/квар. Следовательно, маломощные двигатели с малой частотой вращения неэкономичны в качестве ИРМ. В качестве ИРМ обычно используют СД на номинальное напряжение 6 или 10 кВ, недогруженные по активной мощности.
Значения реактивной мощности, которую можно получить от СД, зависят от его загрузки активной мощностью и относительного напряжения на зажимах двигателя;
Силовые конденсаторы. Силовые конденсаторы — специальные однофазные или трехфазные емкости, предназначенные для выработки реактивной мощности.

Рис. 4. Схемы присоединения конденсаторных батарей:
а) через выключатель на напряжении 6…10 кВ;
б) через рубильник и предохранитель на напряжении до 1 кВ
Мощность конденсаторов в одном элементе составляет 5… 100 квар, номинальное напряжение — от 220 В до 10 кВ. Реактивная мощность, вырабатываемая конденсатором:
(19)
где
U — напряжение на зажимах конденсатора;
ш — угловая частота переменного тока;
Ск — емкость конденсатора, которая определяется, в основном, площадью обкладок.
В установках с большей мощностью и на большее напряжение применяют батареи конденсаторов с параллельным и последовательно-параллельным включением элементов. Увеличение номинального напряжения конденсаторной батареи достигается последовательным включением элементов, а для увеличения мощности применяют параллельное соединение элементов.
Обычно конденсаторы включаются в сеть по схеме треугольника (рис. 4). При отключении конденсаторов необходимо, чтобы запасенная в них энергия разряжалась автоматически на постоянный трансформатор напряжения).
Конденсаторы по сравнению с СД обладают следующими преимуществами: простотой эксплуатации вследствие отсутствия вращающихся частей; простотой монтажных работ вследствие малой массы; малыми потерями активной мощности на выработку реактивной (2,5…5 Вт/квар).
К недостаткам конденсаторов относят зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения, недостаточную стойкость к токам КЗ и перенапряжениям, чувствительность к искажениям формы кривой подводимого напряжения, невозможность плавного изменения мощности конденсаторной установки.

Размещение компенсирующих устройств в системах электроснабжения промышленных предприятий

После определения суммарной мощности компенсирующих устройств Оку, требуемых к установке в системе электроснабжения промышленного предприятия по условиям питающей энергосистемы, необходимо решить задачу размещения и выбора типа КУ в сетях промышленного предприятия.
Суммарная мощность КУ обеспечивается возможным использованием располагаемой реактивной мощности синхронных двигателей Осд и установкой в сетях батарей конденсаторов напряжением до и выше 1 кВ, т.е. соответственно QBH и Обв:
(20)
Реактивная мощность £NtQt, передаваемая со стороны высокого напряжения через цеховые трансформаторы (6…10/0,4…0,6 кВ) по условию баланса мощностей на шинах напряжением до 1 кВ трансформаторов, выражается формулой:
(21)
Величина £NtQt определяется номинальной мощностью цеховых трансформаторов SH0M т при их числе NT, коэффициенте загрузки трансформатора Кзт и расчетной активной нагрузки до 1 кВ Ppac4vH:
(22)
при условии
Необходимо определить оптимальное соотношение мощности источников реактивной мощности, устанавливаемых на стороне ниже 1 кВ Обн, и передачи
потери на генерацию реактивной мощности источниками напряжением до и выше 1 кВ, потери на £NtQt от сети напряжением выше 1 кВ в сеть напряжением ниже 1 кВ и, главное, увеличение мощности цеховых трансформаторов при увеличении £NtQt.
Реактивная мощность QT, протекающая через один трансформатор цеховой ТП, определяется по условию минимума потерь активной мощности без учета активных сопротивлений кабельных линий сети напряжением 10 кВ для группы из NT трансформаторов с одинаковой номинальной мощностью:
(23)
Мощность батареи конденсаторов, устанавливаемых в сети напряжением до 1 кВ, питающейся от конкретного j-ro трансформатора, определяется исходя из величины QT и реактивной нагрузки Qpac4j приемников электроэнергии этой сети:

По полученному значению QgHj следует определить стандартное значение мощности конденсаторной установки QKyj.
Расчеты показали, что передача реактивной мощности в сеть напряжением до 1 кВ оказывается невыгодной, если это вызывает увеличение числа трансформаторов сверх необходимого числа вследствие большой стоимости комплектных трансформаторных подстанций.
Мощность компенсирующих устройств в сети напряжением выше 1 кВ определяется по условию баланса реактивной мощности на шинах вторичного напряжения главной понижающей подстанции. Если в системе электроснабжения имеются высоковольтные СД, которые могут быть использованы как ИРМ, то определяется их располагаемая реактивная мощность, и если их мощность С) недостаточна для соблюдения условий баланса, то определяется мощность батарей конденсаторов высокого напряжения:
(25)
Если цеховые трансформаторы имеют низкий коэффициент загрузки и коэффициент реактивной мощности нагрузки сетей напряжением до 1 кВ не превышает единицы, то предпочтительнее установка батарей конденсаторов в сети напряжением выше 1 кВ вследствие их более низкой удельной стоимости 1 квар, чем у низковольтных конденсаторов.
1 кВ целесообразно устанавливать на вторичном напряжении главной понижающей подстанции или распределительной подстанции, а также на РП в системе электроснабжения предприятия. Не рекомендуется устанавливать конденсаторы напряжением выше 1 кВ на бесшинных цеховых подстанциях, на которых трансформаторы присоединены наглухо или через разъединитель, выключатель нагрузки и предохранитель, так как присоединение конденсаторных установок к этим подстанциям вызовет их усложнение и удорожание.
Нерегулируемые конденсаторные установки на напряжение до 1 кВ обычно присоединяются к цеховым распределительным пунктам, магистральным шинопроводам, если этому не препятствует окружающая среда. Место установки регулируемых конденсаторных установок напряжением до 1 кВ выбирается с учетом требований регулирования напряжения или реактивной мощности.
Точка присоединения БН одной батареи конденсаторов к магистральному шинопроводу ШМА определяется ориентировочно:
(26)
где
L0-6; L0и — длины магистрального шинопровода ШМА от начальной точки «О» до точек присоединения «Б» и «1» — первого распределительного ШРА, м;
Ц к — длина распределительной части ШМА от точки «1» до конечной точки магистрального шинопровода «К», м;
Отах — максимальная реактивная нагрузка ветви «0-1» шинопровода ШМА.
Окончательно конденсаторы устанавливаются в точке присоединения ШРА, ближайшего к расчетной точке «К» в сторону цеховой трансформаторной подстанции.
Не рекомендуется чрезмерное дробление мощности конденсаторных установок в сетях напряжением до и выше 1 кВ, так как это приводит к значительному увеличению удельных затрат на отключающую аппаратуру, измерительные приборы, конструкции и прочее на 1 квар установленной мощности батареи. Единичная мощность БК на напряжении выше 1 кВ принимается не менее 400 квар, если присоединение выполняется с помощью отдельного выключателя. В сетях низшего напряжения не рекомендуется применять БК мощностью менее 30 квар.
Если расчетная мощность БК на отдельных участках получается менее указанных значений, то БК на них не устанавливается.

Регулирование мощности компенсирующих устройств

Задание питающей энергосистемой двух значений входной реактивной мощности, которые могут быть переданы предприятию в режимах наибольшей и наименьшей активных нагрузок системы, соответственно Qs1 и Оэ2 (причем Оэ2 = 0 практически во всех случаях), предопределяет необходимость регулирования потребления реактивной мощности предприятием в течение суток.
Для регулирования потребления реактивной мощности используется автоматическое регулирование возбуждения синхронных машин и регулирование батарей конденсаторов.
Регулирование конденсаторами реактивной мощности может вестись только ступенями путем деления батарей на части. Чем больше число таких ступеней, тем совершеннее регулирование, но тем больше затраты на установку переключателей и защитной аппаратуры. Обычно мощность батарей конденсаторов разделяется на две ступени:

1. базовую QK 6аз, равную реактивной нагрузке предприятия в часы минимума активных нагрузок энергосистемы, включенную постоянно;
2. регулируемую QK per = QKy — QK 6аз, включаемую в часы максимальных активных нагрузок энергосистемы.

Ступенчатое регулирование батарей конденсаторов может производиться как вручную, так и автоматически. Автоматическое регулирование конденсаторных батарей может производиться в функции:

1. напряжения;
2. тока нагрузки;
3. направления реактивной мощности относительно направления активной мощности;
4. по времени суток.

Рис. 5. Схема влияния установки компенсирующих устройств на параметры режимов электрической сети

Поэтому на напряжении до 1 кВ для коммутации БК обычно применяют контакторы, на напряжении выше 1 кВ — воздушные, элегазовые или вакуумные выключатели. Для устранения переходных процессов при коммутации БК вместо выключателей можно использовать тиристорные ключи, которые позволяют включать конденсаторы в тот момент, когда мгновенное напряжение на конденсаторах равно напряжению сети, и отключать их, когда мгновенное значение тока в конденсаторах равно нулю.

Установка компенсирующих устройств влияет на параметры режимов электрической сети, изменяя токи в ветвях и напряжения в узлах.
Рассмотрим влияние компенсации реактивной мощности на примере одной ветви схемы (рис. 5).
Уменьшение полных мощностей и токов. При наличии в конце ветви КУ мощностью QK полная мощность, протекающая в ветви при номинальном напряжении UH0M:
(27)
где
tgφ — коэффициент реактивной мощности нагрузки;
Cq — степень компенсации реактивной мощности, равная отношению реактивной мощности КУ при номинальном напряжении к реактивной нагрузке электропотребителя ЭП Qn ном при номинальном напряжении:
(28)
Поскольку площади сечений линий и мощности трансформаторов выбирают по полной мощности (или току), ее уменьшение при Cq < 1 позволяет в ряде случаев применять оборудование меньших номиналов, т. е. снизить капитальные затраты, если же сеть уже эксплуатируется, то компенсация реактивной мощности позволяет повысить ее пропускную способность по активной мощности и, следовательно, при увеличении нагрузки потребителя не менять электрооборудование.
При полной компенсации реактивной нагрузки, т.е. при Cq= 1, мощность ветви имеет минимальное значение:

когда Cq > Qn ном, полная мощность становится больше минимальной Sc=1.
Снижение нагрузочных потерь мощности. Для каждой ветви с активным R и реактивным X сопротивлением потери полной мощности определяются как:
(30)
Потери полной мощности в сети при протекании только активной мощности потребителя при номинальном напряжении UH0M, т.е. минимально возможные потери активной мощности при прочих равных условиях:
(31)
Отношение
(32)
позволяет проанализировать влияние степени компенсации реактивной мощности Cq при разных значениях коэффициента реактивной мощности нагрузки tgφ на нагрузочные потери мощности. Отметим, что d0 = I2, если напряжение равно номинальному значению UH0M.
На рис. 6 показаны зависимости I2 = AS/ASp при разных значениях коэффициента реактивной мощности tgφ = 0,4; 1; 1,5 и номинальном напряжении U ном, из которых можно сделать вывод об эффективности степени компенсации реактивной мощности.
Как видно из этих зависимостей, уровень соотношения I2 в первую очередь определяется степенью компенсации реактивной мощности и коэффициентом реактивной мощности.
Например, без компенсации при Cq = 0 и tgφ = 1: I2 = 2, т.е. реальные потери мощности больше минимальных в два раза; а при полной компенсации Cq = 1 и любом значении коэффициента реактивной мощности I2 = 1.
Отметим, что при перекомпенсации Cq > 1 и нагрузочные потери мощности становятся больше минимальных ASp.
Снижение потерь напряжения. Потери напряжения при номинальном напряжении на потребителе:
где
£ — отношение реактивных и активных сопротивлений элемента сети: е = X/R. Очевидно, что компенсация реактивной мощности оказывает наибольшее влияние на потери напряжения в элементах с большим значением е, т.е. в элементах с преобладанием реактивного сопротивления, каковыми являются трансформаторы и воздушные линии.

Рис. 6. Зависимости I2 = AS/ASp = fCq; tg<p при номинальном напряжении
Напряжение на приемном конце линии UK равно разности напряжения начала Un и потерь напряжения AUnK, т.е.:
(34)
Следовательно, при установке КУ напряжение в конце линии повышается. При перекомпенсации (Cq > 1) потери напряжения могут принять отрицательное значение AUnK < О, напряжение в конце линии может стать больше напряжения в начале, т.е. U > U .

Батареи конденсаторов в сетях с резкопеременной и вентильной нагрузкой

Характерными резкопеременными нагрузками являются сварочные нагрузки на машиностроительных предприятиях, дуговые печи, прокатные станы и др. Главные приводы прокатных станов оснащаются регулируемыми вентильными преобразователями.
Нагрузки с регулируемыми вентильными преобразователями характеризуются большим потреблением реактивной мощности. Резкопеременный характер потребления реактивной мощности вызывает колебания напряжения в сети.

а)
Рис. 7. Однолинейная схема питающей сети с конденсаторными батареями и фильтрами высших гармоник (а) и схема замещения (б)

Управляемые вентильные преобразователи, кроме того, значительно искажают форму кривой питающего напряжения. Нагрузки дуговых печей ввиду неравномерности потребления тока по фазам могут вызывать значительную несимметрию напряжения.
Все изложенное обусловливает принципы компенсации реактивной мощности, существенно отличающиеся от общепринятых в сетях с так называемой спокойной нагрузкой.
Особенности компенсации реактивной мощности в сетях с резкопеременной и вентильной нагрузкой заключаются в следующем:

1. ввиду низкого коэффициента мощности потребителей и резкопеременного характера нагрузки необходимо осуществить компенсацию как постоянной и переменной составляющей реактивной мощности. Компенсация постоянной составляющей реактивной мощности необходима для уменьшения потребления реактивной мощности от энергосистемы. Компенсация переменной составляющей реактивной мощности преследует цель уменьшения колебаний напряжения в питающей сети;
2. ввиду быстрых изменений потребляемой реактивной мощности необходимо применение быстродействующих компенсирующих устройств, способных изменять регулируемую реактивную мощность со скоростью, соответствующей скорости наброса и сброса потребляемой реактивной мощности;
3. ограничивается применение батарей конденсаторов для компенсации постоянной составляющей реактивной мощности в сети с резкопеременной вентильной нагрузкой. Это обусловлено наличием в сети высших гармоник тока и напряжения при работе вентильных преобразователей, которые приводят к значительным перегрузкам батарей конденсаторов;
4. при наличии в сети высших гармоник тока и напряжения включение конденсаторов приводит к резонансным явлениям на частотах высших гармоник, что ведет к нарушению нормальной работы БК.

Сущность явлений резонанса удобно рассмотреть на примере простой схемы электроснабжения промышленного предприятия, показанной на рис. 7. На схеме показаны три основных элемента, участвующих в резонансном процессе:

1. питающая сеть, упрощенно представленная в схеме замещения индуктивным Хс и активным Rc сопротивлениями;

Рис. 8. Однолинейная схема защиты конденсаторной батареи от высших гармоник

1. вентильный преобразователь как источник высших гармоник с сопротивлениями Хпр и Rnp — индуктивно-активная цепь в схеме замещения;
2. батарея конденсаторов С и RK — емкостно-активная цепь в схеме замещения.

При отсутствии емкостных элементов (при отключении БК) частотные характеристики Хс линейны. Включение БК резко изменяет линейный характер частотной характеристики питающей сети, причем нелинейность частотной характеристики в значительной степени зависит от добротности контура, т.е. от соотношения X/R. Нелинейность частотной характеристики питающей сети объясняется тем, что при включении БК образуется параллельный LC-контур, состоящий из индуктивного сопротивления питающей сети и емкостного сопротивления конденсатора. Таким образом, изменяются частотные характеристики систем и возникают условия для возникновения резонанса на частотах, превышающих промышленную частоту 50 Гц. Вентильные преобразователи генерируют в сеть спектр гармоник, начиная с пятой, поэтому в каждом конкретном случае необходим расчет токовой нагрузки БК резонансной группой гармоник (вплоть до 59, 61, 71 гармоник).
Батареи конденсаторов, предназначенные для компенсации реактивной мощности в сетях, питающих нелинейную нагрузку, для их нормальной работы необходимо защищать реакторами, устанавливаемыми последовательно с конденсаторами (рис. 8).

Коэффициент мощности cos φ: определение, назначение, формула

Коэффициент мощности – это скалярная физическая величина, показывающая насколько рационально потребителями расходуется электрическая энергия. Другими словами, коэффициент мощности описывает электроприемники с точки зрения присутствия в потребляемом токе реактивной составляющей.

В этой статье мы рассмотрим физическую сущность и основные методы определения cos φ.

Математически cos φ

Математически cos φ определяется как отношение активной мощности к полной или равен отношению косинуса этих величин (отсюда и название параметра).

Величина коэффициента мощности может изменяться в интервале 0 — 1 (либо в диапазоне 0 — 100%). Чем ближе его величина к 1, тем лучше, поскольку при величине cos φ = 1 – потребителем реактивная мощность не потребляется (равняется 0), следовательно, меньше потребляемая полная мощность в общем.

Низкий cos φ указывает на то, что на внутреннем сопротивлении потребителя выделяется повышенная реактивная мощность.

Когда токи / напряжения являются идеальными сигналами синусоидальной формы, то коэффициент мощности составляет 1.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

В энергетике для коэффициента мощности используются следующие обозначения cos φ либо λ. В случае если для определения коэффициента мощности используется λ, его значение выражают в %.

Геометрически коэффициент мощности можно изобразить, как косинус угла на векторной диаграмме между током, напряжением между током, напряжением. В связи с чем при синусоидальной форме токов и напряжений величина cos φ совпадает с косинусом угла, от которого отстают эти фазы.

Короткое видео о кратким объяснением, что такое коэффициент мощности:

Повышение коэффициента мощности

Значение коэффициента мощности рассчитывают при проектировании сетей. Поскольку низкое его значение является следствием увеличения величины общих потерь электроэнергии. Для его увеличения в сетях используют различные способы коррекции, повышая его значение до 1.

Повышение cos φ преследует 3 основные задачи:

1. снижение потерь электроэнергии;
2. рациональное использование цветных металлов на создание электропроводящей аппаратуры;
3. оптимальное использование установленной мощности трансформаторов, генератор и прочих машин переменного тока.

Технически коррекция реализуется в виде введения различных дополнительных схем на вход устройств. Эта техника требуется для равномерного использования мощности фазы, устранения перегрузок нулевого провода 3-х-фазной сети, и является обязательной для импульсных источников питания, установленной мощностью 100 Вт и более.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Помимо этого, компенсация позволяет обеспечить отсутствие всплесков потребляемого тока на пике синусоиды, равномерную нагрузку на питающую линию.

Основные способы коррекции cos φ

1. Коррекция реактивной составляющей мощности производится путём включения реактивного элемента, имеющего противоположное действие. К примеру, для компенсации работы асинхронной машины, обладающей высокой индуктивной реактивной составляющей мощности, в параллель включается конденсатор.

2. Корректировка нелинейности электропотребления. При потреблении тока нагрузкой непропорционально основной гармонике напряжения, для повышения коэффициента мощности в схему вводят пассивный (активный) корректор коэффициента мощности. Наиболее простым примером пассивного корректора cos φ является дроссель с высокой индуктивностью, подключаемый последовательно с нагрузкой. Дроссель производит сглаживание импульсного потребления нагрузки и создание низшей, основной гармоники тока.

3. Корректировка естественным способом, не предусматривающая установку дополнительных устройств, предполагает упорядочение технологического процесса, рациональное распределение нагрузок, ведущее к улучшению режима потребления электроэнергии оборудованием, повышению коэффициента мощности.

Подробное видео с объяснением, что такое cosφ :

А15. С какой целью двигатель с фазным ротором снабжают контактными кольцами и щетками?

а) для подключения двигателя к сети;

б) для соединения ротора с регулировочными реостатами;

в) для создания электромагнитного момента;

г) для снятия эдс.

А16. Может ли ротор асинхронного двигателя раскрутиться до частоты вращения магнитного поля?

а) может;

б) не может;

в) все зависит от частоты вращения поля;

г) другой ответ.

А17. Нужны ли контактные кольца и щетки, для синхронного двигателя, ротор которого представляет собой постоянный магнит?

а) нужны;

б) не нужны;

в) их наличие значения не имеет;

г) другой ответ.

А18. Частота вращения ДПТ уменьшилась. Как изменилась ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря?

а) не изменилась;

б) увеличилась;

в) уменьшилась;

г) в двигателе ЭДС не индуцируется.

А19. Симметричная нагрузка соединена треугольником. Линейноё напряжения 380 В. Чему равно фазное напряжение?

а) 380В;

б) 220В;

в) 127В;

г) 660В.

А20. Какой из проводников потребляет большую мощность в данной цепи? Сопротивление первого меньше сопротивления второго (см. рис.).

а)1; б) 2; в)оба одинаково; г)в задаче не хватает данных.

А21. Укажите положение северного полюса магнитного поля катушки с током (см. рис.)

а) сверху;

б) справа;

в) снизу;

г) слева.

А22. На чем основан принцип действия действия прибора магнито- электрической системы?

а) на взаимодействии магнитного поля катушки и ферромагнитного сердечника;

б) на взаимодействии проводников, по которым протекает ток;

в) на взаимодействии электрически заряженных тел;

г) другой ответ.

А23. Чему равен ток в нулевом проводе в симметричной трехфазной цепи при соединении нагрузки в звезду?

а) номинальному току одной фазы;

б) нулю;

в) сумме номинальных токов двух фаз;

г) сумме номинальных токов трех фаз.

А24. В каких единицах выражается реактивная мощность потребителей?

а) Ватт;

б) Вар;

в) Дж;

г) В.

А25. Можно ли магнитоэлектрический прибор использовать для измерений в цепях переменного тока?

а) можно;

б) нельзя;

в) можно, если ввести добавочное сопротивление;

г) можно, если прибор подключить через выпрямительную систему.

А26. Полупроводник обладает электронной проводимостью. Какие примеси есть в этом полупроводнике?

а) донорные;

б) акцепторные;

в) примесей нет;

г) есть и донорные и акцепторные.

А27. Какие конструктивные особенности принципиально отличают базу от эмиттера и коллектора?

а) толщина;

б) тип примеси;

в) концентрация примесей;

г) все указанные выше.

А28. При какой схеме включения транзисторов коэффициент усиления по мощности меньше или равен 1.

а) с общей базой;

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором;

г) во всех случаях он больше 1.

А29. Определить коэффициент усиления по напряжению трехкаскадного усилителя в децибелах, если каждый каскад обеспечивает десятикратное усиление.

а) 60;

б) 30;

в) 1000;

г) 50.

А30. Полупроводник нагрели. Как изменилось его сопротивление?

а) увеличилось;

б) уменьшилось;

в) не изменилось;

г) в задаче не хва­тает данных.

Задание 2.

В1. К источнику тока с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом присоединена цепь, состоящая из двух проводников по 15 Ом каждый, соединенных между собой параллельно, и третьего проводника сопротивлением 4 Ом, присоединенного последовательно к двум первым. Чему равна сила тока в неразветвленной части и напряжение на концах цепи?

Начертить электрическую схему.

Вариант 2.

Задание 1.

А1. Что принято за направление электрического тока?
а) направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц;
б) направление упорядоченного движения отрицательно заряженных частиц;
в) определенного ответа дать нельзя;

г) среди этих ответов нет правильного.
А2. Направление электрического тока…
а) совпадает с направлением напряженности электрического поля, вызывающего этот ток;
б) противоположно направлению напряженности электрического поля, вызывающего этот ток;
в) определенного ответа дать нельзя;

г) среди этих ответов нет правильного.

А3. Как изменится сопротивление проволоки, если ее сложить втрое?
a) уменьшится в 3 раза; б) уменьшится в 9 раз; в) увеличится в 3 раза;

г) среди этих ответов нет правильного.

А4. Второй закон Кирхгофа…
а) алгебраическая сумма токов в узле равна нулю;
б) алгебраическая сумма ЭДС равна нулю;
в) алгебраическая сумма контуров равна алгебраической сумме
падения напряжение сопротивленй контуров;
г) другой ответ.

А5. Как выбирается направление контурных токов?

а) по часовой стрелке; б) против часовой стрелке;

в) произвольно; г) среди этих ответов нет правильного.

А6. Закон Ома для участка цепи..
а) ∑ I = 0; б) I = U / R; в) Rэкв = R₁ + R₂; г) I = E / R + R₀.

А7. Чему равно общее сопротивление данной электрической цепи? (см. рис.)

а) 16 Ом; б) 8 Ом; в) 4 Ом; г) 2 Ом.

Рекомендуемые страницы:

Коэффициент мощности — Руководство по устройству электроустановок

Определение коэффициента мощности

Коэффициент мощности (cos φ) есть отношение кВт к кВА. Чем ближе коэффициент мощности приближается к своему максимальному значению 1, тем больше польза для потребителя и поставщика.

Коэффициент мощности нагрузки, которая может являться электроприемником (ЭП) или совокупностью таких ЭП (например, вся система), задается отношением P/S, т.е. число кВт, деленное на число кВА в заданный момент времени.

Значение коэффициента мощности изменяется в диапазоне 0-1.

Если токи и напряжения являются идеальными синусоидальными сигналами, коэффициент мощности равен cos φ.

Коэффициент мощности около единицы означает, что реактивная мощность мала в сравнении с активной, а низкое значение коэффициента указывает на противоположное.

Векторная диаграмма мощности

• Активная мощность P (кВт):

  –  однофазная (1 фаза и нейтраль): P = V х I х cos φ;
  –  однофазная (фаза-фаза): P = U х I х cos φ;
  –  трехфазная (3 провода или 3 провода + нейтраль): P = 3{\displaystyle {\sqrt {3}}}х U х I cos φ.

• Реактивная мощность Q (квар):

  –  однофазная (1 фаза и нейтраль): Q = V х I х sin φ;
  –  однофазная (фаза-фаза): Q = U х I х sin φ;
  –  трехфазная (3 провода или 3 провода + нейтраль): Q = 3{\displaystyle {\sqrt {3}}} х U х I sin φ.

• Полная мощность S (кВА):

  –  однофазная (1 фаза и нейтраль): S = V х I;
  –  однофазная (фаза-фаза): S = U х I;
  –  трехфазная (3 провода или 3 провода + нейтраль): S = 3{\displaystyle {\sqrt {3}}} х U х I,
где:
V – линейное напряжение;
U – фазное напряжение;
 I –  ток;
φ – угол между векторами напряжения и тока;
 –  для симметричных или почти симметричных нагрузок четырехпроводных систем.

Векторы тока и напряжения и вывод векторной диаграммы мощности

Векторная диаграмма мощности – полезный инструмент, выводимый непосредственно из истинной диаграммы вращающихся векторов токов и напряжений следующим образом:

Напряжения энергосистемы принимаются в качестве исходных величин, и рассматривается только одна фаза, исходя из предположения о симметричной трехфазной нагрузке.

Исходное напряжение фазы (V) совпадает с горизонтальной осью, а ток (I) этой фазы сдвинут (отстает) (практически для всех нагрузок энергосистемы) относительно напряжения на угол φ.

Составляющая тока I, совпадающая по фазе с напряжением V, является реактивной составляющей тока I и равна I·cos φ, значение V·I cos φ равно активной мощности (кВт) в цепи, если V выражается в кВ.

Составляющая тока I с отставанием 90 градусов от напряжения V является безваттной составляющей тока I и равна I·sin φ, а значение V·I·sin φ равно реактивной мощности (квар), если напряжение V выражается в кВ.

Результат умножения I на V в кВ (V·I) равен полной мощности (кВА) для цепи.

Получается простая формула S² = P² + Q²

Следовательно, умноженные на 3, указанные выше значения кВт, квар и кВА на фазу могут удобно представлять взаимосвязь кВА, кВт, квар и коэффициента мощности для общей трехфазной нагрузки, как показано на рис. L3.

Рис. L3 : Диаграмма мощности

Пример расчета мощности

(см. рис. L4)

Рис. L4 : Пример расчета активной и реактивной мощностиzh:功率因数

что это, из каких частей состоит, методика расчета

Понятие полной мощности используется в электротехники для определения фактической нагрузки на элементы сети. Величина полной мощности силового трансформатора является основой для проектирования его конструкции.

Полная мощность превосходит по абсолютной величине активную и зависит от характеристик нагрузки.

Понятие мощности трансформатора

Трансформатор переменного тока не производит электрическую энергию, а лишь преобразовывает ее по величине. Поэтому его мощность полностью зависит от ее величины  нагрузки (тока потребления) вторичной цепи.  При наличии нескольких потребителей должна учитываться суммарная нагрузка, которая может быть подключена одновременно. Для цепей переменного тока учитывается активный и реактивный характер потребления.

Активная

Данная составляющая часть характеристики определяется как среднее значение мгновенной за определенный период времени. Для цепей синусоидального переменного тока в качестве отрезка времени используется значение периода колебания:

T=1/f,

где f – частота.

Активная часть  зависит от характера нагрузки, то есть от сдвига фаз между током и напряжением и определяется по формуле:

P=i∙U∙cosϕ,

где ϕ – угол сдвига фаз.

Активная составляющая  устройств переменного тока выражается в Ваттах, как и для цепей постоянного тока.

Реактивная

Реактивная нагрузка отличается от активной тем, что в течение одного периода колебаний напряжения электрическая энергия реально не потребляется, но возвращается назад. В результате того, что к питающему устройству подключены устройства с большой емкостью или индуктивностью (электродвигатели), между током и напряжением возникает сдвиг фаз.

Реактивная составляющая потребления определяется выражением:

Q= i∙U∙sinϕ

Единица измерения – вар (вольт-ампер реактивный).

Полная

Полная мощность трансформатора учитывает всю потребленную и  возвращенную энергию и находится из выражения:

S= i∙U

Все составляющие связаны соотношением:

S²=P²+Q².

Единица измерения – ВА (вольт-ампер).

Полная мощность равняется активной только в случае полностью активной нагрузки.

Номинальная

Номинальная мощность трансформатора учитывает возможность работы конструкции с учетом подключения потребителей разного характера, то есть аналогична полной. При этом гарантируется исправная работа устройства весь заявленный срок службы при  оговоренных условиях эксплуатации.

Номинальная мощность, как и полная, учитывает активный и реактивный характер потребления, которое может изменяться во время эксплуатации.

Выражается в вольт-амперах.

Методика расчета мощностей трансформатора

При расчете силового  трансформатора питающей подстанции учитывается среднесуточная нагрузка и длительность периода максимальной потребления. При этом должно учитываться соотношение:

S_ном≥∑P_макс

Режим пикового потребления также должен учитывать время воздействия, поскольку при кратковременных всплесках (до 1 часа), устройство будет работать в недогруженном режиме, что экономически не выгодно.

В таких случаях нужно брать в расчет перегрузочную способность конструкции, которая зависит от конструктивных особенностей, температуры окружающего воздуха  и условий охлаждения. Это диктуется условиями допустимого нагрева составляющих элементов (обмоток, коммутирующих цепей).

Понятие коэффициента загрузки определяет отношение среднесуточного и максимального потребления электрической энергии. Коэффициент загрузки всегда меньше единицы. Его величина связана с требованиями к надежности электроснабжения. Чем меньше требуемая надежность, тем больше коэффициент может приближаться к единице.

Примеры реальных расчетов

В качестве примера можно выбрать питающую подстанцию жилого района. Нагрузка подстанции является III  категории, поэтому коэффициент загрузки допустимо выбирать из большего значения – 0.9-0.95.

Характер потребления тока бытового сектора зависит от времени суток и сезона, но с учетом высокого коэффициента загрузки допустимо учитывать среднее значение потребляемой мощности. Для повышения надежности работы в период максимального потребления рекомендуется использование маслонаполненных трансформаторов, которые отличаются большой перегрузочной способностью в течение длительного периода времени (30% перегрузки в течение 2-х часов).

Эскиз конструкции трансформатора

Конструкция мощного силового трансформатора состоит из нескольких частей:

1. Остов.
2. Выемная часть.

В состав выемной части входит, собственно сердечник и обмотки с активной частью, которая включает переключатели с приводами, вводы высокого и низкого напряжений, предохранительные устройства.

Остов  – основная составляющая конструкции активной части. В состав остова входит магнитная система (сердечник) со всеми обмотками, а также конструктивные элементы для крепления и соединения обмоток и частей магнитной системы.

Активная обратная энергия. Активная и реактивная энергия

Реактивная мощность – часть электрической энергии, возращенная нагрузкой источнику. Явление возникновения ситуации считается вредным.

Возникновение реактивная мощность

Допустим, цепь содержит источник питания постоянного тока и идеальную индуктивность. Включение цепи порождает переходный процесс. Напряжение стремится достичь номинального значения, росту активно мешает собственное потокосцепление индуктивности. Каждый виток провода согнут круговой траекторией. Образуемое магнитное поле будет пересекать соседствующий сегмент. Если витки расположены один за другим, характер взаимодействия усилится. Рассмотренное называется собственным потокосцеплением.

Характер процесса таков: наводимая ЭДС препятствует изменениям поля. Ток пытается стремительно вырасти, потокосцепление тянет обратно. Вместо ступеньки видим сглаженный выступ. Энергия магнитного поля потрачена, чтобы воспрепятствовать процессу создавшему. Случай возникновения реактивной мощности. Фазой отличается от полезной, вредит. Идеально: направление вектора перпендикулярно активной составляющей. Подразумевается, сопротивление провода нулевое (фантастический расклад).

При выключении цепи процесс повторится обратным порядком. Ток стремится мгновенно упасть до нуля, в магнитном поле запасена энергия. Пропади индуктивность, переход пройдет внезапно, потокосцепление придает процессу иную окраску:

1. Уменьшение тока вызывает снижение напряженности магнитного поля.
2. Произведенный эффект наводит противо-ЭДС витков.
3. В результате после отключения источника питания ток продолжает существовать, понемногу затухая.

Графики напряжения, тока, мощности

Реактивная мощность некое звено инерции, постоянно запаздывающее, мешающее. Первый вопрос: зачем тогда нужны индуктивности? О, у них хватает полезных качеств. Польза заставляет мириться с реактивной мощностью. Распространенным положительным эффектом назовем работу электрических двигателей. Передача энергии идет через магнитный поток. Меж витками одной катушки, как было показано выше. Взаимодействию подвержены постоянный магнит, дроссель, все, способное захватить вектором индукции.

Случаи нельзя назвать в смысле описательном всеобъемлющими. Иногда применяется поток сцепления в виде, показанном для примера. Принцип используют пускорегулирующие аппараты газоразрядных ламп. Дроссель снабжен несметным количеством витков: отключение напряжения вызывает не плавное снижение тока, но выброс большой амплитуды противоположной полярности. Индуктивность велика: отклик поистине потрясающий. Превышает исходные 230 вольт на порядок. Достаточно, чтобы возникла искра, лампочка зажглась.

Реактивная мощность и конденсаторы

Реактивная мощность запасается энергией магнитного поля индуктивностями. А конденсатор? Выступает источником возникновения реактивной составляющей. Дополним обзор теорией сложения векторов. Поймет рядовой читатель. В физике электрических сетей часто используются колебательные процессы. Всем известные 220 вольт (теперь принятые 230) в розетке частотой 50 Гц. Синусоида, амплитуда которой равна 315 вольт. Анализируя цепи, удобно представить вращающимся по часовой стрелке вектором.

Анализ цепей графическим методом

Упрощается расчет, можно пояснить инженерное представление реактивной мощности. Угол фазы тока считают равным нулю, откладывается вправо по оси абсцисс (см. рис.). Реактивная энергия индуктивности совпадает фазой с напряжением UL, опережает на 90 градусов ток. Идеальный случай. Практикам приходится учитывать сопротивление обмотки. Реактивной на индуктивности будет часть мощности (см. рис.). Угол меж проекциями важен. Величина называется коэффициентом мощности. Что означает на практике? Перед ответом на вопрос рассмотрим понятие треугольника сопротивлений.

Треугольник сопротивлений и коэффициент мощности

Чтобы проще вести анализ электрических цепей, физики предлагают использовать треугольник сопротивлений. Активная часть откладывается, как ток, – вправо оси абсцисс. Договорились, индуктивность направлять вверх, емкость – вниз. Вычисляя полное сопротивление цепи, значения вычитаем. Исключено комбинированный случай. Доступно два варианта: реактивное сопротивление положительное, либо отрицательное.

Получая емкостное/индуктивное сопротивление, параметры элементов цепи домножают коэффициентом, обозначаемым греческой буквой «омега». Круговая частота – произведение частоты сети на удвоенное число Пи (3.14). Еще одно замечание по поводу нахождения реактивных сопротивлений укажем. Если индуктивность просто домножается указанным коэффициентом, для емкостей берутся величины обратные произведению. Понятно из рисунка, где приведены указанные соотношения, помогающие вычислять напряжения. После домножения берем алгебраическую сумму индуктивного, емкостного сопротивлений. Первые рассматриваются положительными величинами, вторые – отрицательными.

Формулы реактивных составляющих

Две составляющие сопротивления – активная и мнимая – являются проекциями вектора полного сопротивления на оси абсцисс и ординат. Углы сохраняются при переносе абстракций на мощности. Активная откладывается по оси абсцисс, реактивная — вдоль сои ординат. Емкости и индуктивности являются основополагающей причиной возникновения в сети негативных эффектов. Было показано выше: без реактивных элементов становится невозможным построение электротехнических устройств.

Коэффициентом мощности принято называть косинус угла меж полным вектором сопротивления и горизонтальной осью. Столь важное значение параметру приписывают, поскольку полезная часть энергии источника является долей полных трат. Доля высчитывается умножением полной мощности на коэффициент. Если векторы напряжения и тока совпадают, косинус угла равен единице. Мощность теряется нагрузкой, улетучиваясь теплом.

Сказанному верить! Средняя мощность периода при подключении к источнику чисто реактивного сопротивления равна нулю. Половину времени индуктивность принимает энергию, вторую отдает. Обмотка двигателя обозначается на схемах прибавлением источника ЭДС, описывающего передачу энергии валу.

Практическое истолкование коэффициента мощности

Многие замечают неувязку в случае практического рассмотрения реактивной мощности. Для снижения коэффициента рекомендуют параллельно обмоткам двигателя включать конденсаторы большого размера. Индуктивное сопротивление уравновешивает емкостное, ток вновь совпадает с напряжением фазой. Сложно понять вот по какой причине:

1. Допустим, к источнику переменного напряжения подключили первичную обмотку трансформатора.
2. В идеале активное сопротивление равно нулю. Мощность должна быть реактивной. Но это плохо: угол между напряжением и током стремятся сделать нулевым!

Но! Колебательный процесс безучастен работе двигателей, трансформаторов. Теория реактивной мощности предполагает: колебания совершает вся энергия. До последней капли. В трансформаторе, двигателе из поля происходит активная «утечка» энергии на совершение работы, наведение тока вторичной обмотки. Энергия циркулировать между источником и потребителем не может.

Реальная цепь процесс согласования отдельных участков затрудняет. Для перестраховки поставщики требуют установить параллельно обмотке двигателя конденсаторы, чтобы энергия циркулировала в локальном сегменте, не выходила наружу, нагревая соединительные провода. Важно избежать перекомпенсации. Если емкость конденсаторов будет слишком велика, батарея станет причиной увеличения коэффициента мощности.

Что касается сдвига фаз, возникает на вторичной обмотке трансформатора подстанции. Роль играет не это. Двигатель работает, часть энергии не преобразована в полезную работу, отражается назад. В результате возникает коэффициент мощности. Участвующая составляющая индуктивности – технологический, конструкционный дефект. Часть, не приносящая пользы. Скомпенсируем, добавляя конденсаторные блоки.

Проверка правильности согласования ведется по факту отсутствия сдвига фаз между напряжением и током работающего электродвигателя. Лишняя энергия циркулирует меж избыточной индуктивностью обмоток, установленным конденсаторным блоком. Достигнута цель мероприятия – избежать нагрева проводников питающей устройство сети.

Что предлагают под видом экономии электроэнергии

В сети предлагают купить устройства экономии электроэнергии. Компенсаторы реактивной мощности. Важно не перегнуть палку. Допустим, компенсатор будет уместно смотреться рядом с включенным компрессором холодильника, коллекторным двигателем пылесоса, обременять квартиру мерами при работающих лампочках накала – предприятие сомнительное. До установки потрудитесь узнать сдвиг фаз меж напряжением и током, согласно информации, правильно рассчитайте объем блока конденсаторов. Иначе попытки сэкономить таким образом потерпят неудачу, разве случайно удастся навести палец в небо, попасть в точку.

Вторым аспектом компенсации реактивной мощности является учет. Делается для крупных предприятий, где стоят мощные двигатели, создающие большие углы сдвига фаз. Внедряют специальные счетчики учета реактивной мощности, оплачиваемой согласно тарифу. Для расчетов коэффициента оплаты применяется оценка тепловых потерь проводов, ухудшение режима эксплуатации кабельной сети, некоторые другие факторы.

Перспективы дальнейшего изучения реактивной энергии, как явления

Реактивная мощность выступает явлением отражения энергии. Идеальные цепи явления лишены. Реактивная мощность проявляется выделенным теплом на активном сопротивлении кабельных линий, искажает синусоидальную форму сигнала. Отдельная тема разговора. При отклонениях от нормы двигатели работают не столь гладко, трансформаторам – помеха.

“Справочник” – информация по различным электронным компонентам : транзисторам , микросхемам , трансформаторам , конденсаторам , светодиодам и т.д. Информация содержит все, необходимые для подбора компонентов и проведения инженерных расчетов, параметры, а также цоколевку корпусов, типовые схемы включения и рекомендации по использованию радиоэлементов .

С одной стороны, работу тока можно легко посчитать, зная силу тока, напряжение и сопротивление нагрузки. До боли знакомые формулы из курса школьной физики выглядят так.

Рис. 1. Формулы

И здесь нет ни слова про реактивную составляющую.

С другой стороны, ряд физических процессов на самом деле накладывают свои особенности на эти расчёты. Речь идёт о реактивной энергии. Проблемы с пониманием реактивных процессов приходят вместе со счетами за электроэнергию в крупных предприятиях, ведь в бытовых сетях мы платим только за активную энергию (размеры потребления реактивной энергии настолько малы, что ими просто пренебрегают).

Определения

Чтобы понять суть физических процессов начнём с определений.

Активная электроэнергия – это полностью преобразуемая энергия, поступающая в цепь от источника питания. Преобразование может происходить в тепло или в другой вид энергии, но суть остаётся одна – принятая энергия не возвращается обратно в источник.

Пример работы активной энергии: ток, проходя через элемент сопротивления, часть энергии преобразует в нагрев. Эта совершённая работа тока и является активной.

Реактивная электроэнергия – это энергия, возвращаемая обратно источнику тока. То есть ранее полученный и учтённый счётчиком ток, не совершив работы, возвращается. Помимо прочего ток совершает скачок (на короткое время нагрузка сильно возрастает).

Тут без примеров сложно понять процесс.

Самый наглядный – работа конденсатора. Сам по себе конденсатор не преобразует электроэнергию в полезную работу, он её накапливает и отдаёт. Конечно, если часть энергии всё-таки уходит на нагрев элемента, то её можно считать активной. Реактивная же выглядит так:

1.При питании ёмкости переменным напряжением, вместе с увеличением U растёт и заряд конденсатора.

2.В момент начала падения напряжения (второй четвертьпериод на синусоиде) напряжение на конденсаторе оказывается выше, чем у источника. И поэтому конденсатор начинает разряжаться, отдавая энергию обратно в цепь питания (ток течёт в обратном направлении).

3.В следующих двух четвертьпериодах ситуация полностью повторяется, то только напряжение меняется на противоположное.

Ввиду того, что сам конденсатор работы не совершает, принимаемое напряжение достигает своего максимального амплитудного значения (то есть в √2=1,414 раза больше действующего 220В, или 220·1,414=311В).

При работе с индуктивными элементами (катушки, трансформаторы, электродвигатели и т.п.) ситуация аналогична. График показателей можно увидеть на изображении ниже.

Рис. 2. Графики показателей

Ввиду того, что современные бытовые приборы состоят из множества разных элементов с “реактивным” эффектом питания и без него, то реактивный ток, протекая в обратном направлении, совершает вполне реальную работу по нагреву активных элементов. Таким образом, реактивная мощность цепи – по сути выражается в побочных потерях и скачках напряжения.

Очень сложно отделить один показатель мощности от другого при расчётах. А система качественного и эффективного учёта стоит дорого, что, собственно, и привело к отказу от измерения объёма потребления реактивных токов в быту.

В крупных коммерческих объектах наоборот, объем потребления реактивной энергии намного больше (из-за обилия силовой техники, снабжаемой мощными электродвигателями, трансформаторами и другими элементами, порождающими реактивный ток), поэтому для них вводится раздельный учёт.

Как считается активная и реактивная электроэнергия

Большинство производителей счётчиков электроэнергии для предприятий реализуют простой алгоритм.

Q=(S 2 – P 2) 1/2

Здесь из полной мощности S отнимается активная мощность P (в облегчённом для понимания виде).

Таким образом, производителю не обязательно организовывать полностью раздельный учёт.

Что такое cosϕ (косинус фи)

Для числового выражения соотношения активной и реактивной мощностей применяется специальный коэффициент – косинус фи.

Вычисляется он по формуле.

cosϕ = P акт /P полн

Где полная мощность – это сумма активной и реактивной.

Такой же коэффициент указывается на шильдиках электроинструмента, оснащённого двигателями. В этом случае cosϕ используется для оценки пиковой потребляемой мощности. Например, номинальная мощность прибора составляет 600 Вт, а cosϕ = 0,7 (средний показатель для подавляющего большинства электроинструмента), тогда пиковая мощность, необходимая для старта электродвигателя будет считаться как Pномин / cosϕ, = 600 Вт / 0,7 = 857 ВА (реактивная мощность выражается в вольт-амперах).

Применение компенсаторов реактивной мощности

Чтобы стимулировать потребителей эксплуатировать электросеть без реактивной нагрузки, поставщики электроэнергии вводят дополнительный оплачиваемый тариф на реактивную мощность, но оплату взимают только если среднемесячное потребление превысит определённый коэффициент, например, при соотношении полной и активной мощностей составит свыше 0,9, счёт на оплату реактивной мощности не выставляется.

Для того, чтобы снизить расходы, предприятия ставят специальное оборудование – компенсаторы. Они могут быть двух видов (в соответствии с принципом работы):

• Ёмкостные;
• Индуктивные.

Единственное с чем согласен с автором, так это то что так это что вокруг понятия “реактивная энергия” немало легенд… В отместку видимо автор выдвинул ещё и свою…Путано…противоречиво…изобилие всяких: “”энергия приходит, энергия уходит…” Итог вообще получился шокирующий, истина перевёрнута с ног на ноги: “Вывод – реактивный ток вызывает нагрев проводов, не совершая при этом никакой полезной работы” Господин, дорогой! нагрев это уже работа!!! Мнение моё, тут людям с техническим образованием без векторной диаграммы синхронного генератора под нагрузкой не склеить описание процесса грамотно, а людям интересующимся могу предложить простой вариант, без затей.

Итак о реактивной энергии. 99% электричества напряжением 220 вольт и более вырабатывается синхронными генераторами. Электроприборами в быту и работе мы используем разные, большинство из них “греют воздух”, выделяют теплоту в той или иной степени…Пощупайте телевизор, монитор компьютера, о кухонной электропечи я уже не говорю, везде чувствуется тепло. Это всё потребители активной мощности в электросети синхронного генератора. Активная мощность генератора это безвозвратные потери вырабатываемой энергии на тепло в проводах и приборах. Для синхронного генератора передача активной энергии сопровождается механическим сопротивлением на приводном валу. Если бы Вы, уважаемый читатель вращали генератор вручную, Вы бы сразу же почувствовали повышенное сопротивление Вашим усилиям и означало бы это одно, кто-то в вашу сеть включил дополнительное число нагревателей, т.е повысилась активная нагрузка. Если в качестве привода генератора у вас дизель, будьте уверены, расход топлива возрастает молниеносно, т.к именно активная нагрузка потребляет ваше топливо. С реактивной энергией иначе…Скажу я вам, невероятно, но некоторые потребители электроэнергии сами являются источниками электроэнергии, пусть на очень короткое мгновение, но являются. А если учесть что переменный ток промышленной частоты изменяет своё направление 50 раз в секунду, то такие (реактивные) потребители 50 раз в секунду передают свою энергию сети. Знаете как в жизни, если кто-то что-то добавляет к оригиналу своё без последствий это не остаётся. Так и здесь, при условии, что реактивных потребителей много, или они достаточно мощные, то синхронный генератор развозбуждается. Возвращаясь к нашей прежней аналогии где в качестве привода Вы использовали свою мышечную силу, можно будет заметить, что несмотря на то что Вы не изменили ни ритма вращая генератор, ни не почувствовали прилива сопротивления на валу, лампочки в вашей сети вдруг погасли. Парадокс, тратим топливо, вращаем генератор с номинальной частотой, а напряжения в сети нет… Уважаемый читатель, выключи в такой сети реактивные потребители и всё восстановится. Не вдаваясь в теорию развозбуждение происходит когда магнитные поля внутри генератора, поле системы возбуждения вращающейся вместе с валом и поле неподвижной обмотки соединённой с сетью поворачиваются встречно друг другу, тем самым ослабляю друг друга. Генерация электроэнергии при понижении магнитного поля внутри генератора уменьшается. Техника ушла далеко в перёд, и современные генераторы оснащены автоматическими регуляторами возбуждения, и когда реактивные потребители “провалят” напряжение в сети, регулятор сразу же повысит ток возбуждения генератора, магнитный поток восстановится до нормы и напряжение в сети восстановится Понятно, что ток возбуждения имеет и активную составляющую, так что извольте добавить и топливо в дизеле.. В любом случае, реактивная нагрузка негативно влияет на работу электросети, особенно в момент подключения реактивного потребителя к сети, например, асинхронного электродвигателя…При значительной мощности последнего всё может закончится плачевно, аварией. В заключение, могу добавить для пытливого и продвинутого оппонента, что, есть и реактивные потребители с полезными свойствами. Это всё те что обладают электроёмкостью…Включи такие устройства в сеть и уже электрокомпания должна вам)). В чистом виде это конденсаторы. Они тоже отдают электроэнергию 50 раз в секунду, но при этом магнитный поток генератора наоборот увеличивается, так что регулятор может даже понизить ток возбуждения, экономя затраты. Почему мы раньше об этом не оговорились…а зачем…Дорогой читатель обойди свой дом и поищи емкостной реактивный потребитель…не найдешь…Разве только раскурочишь телевизор или стиральную машину…но пользы от этого понятно не будет….

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

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

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

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

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

Единица измерения полной мощности S = UI – ВА.

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 5.1. Треугольник мощностей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

При недогрузке СД по активной мощности β = P/P ном Q /Q ном > 1.

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

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

Р ном = Q 2 ном R /U 2 ном,

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

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

Таблица 5.1

Зависимости коэффициента перегрузки по реактивной мощности синхронных двигателе й

Синхронные компенсаторы.

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

Статические тиристорные компенсирующие устройства.

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

Рис. 5.2. Быстродействующие источники реактивной мощности

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

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

Активная и реактивная мощность — потребители электрической энергии на то и потребители, чтобы эту энергию потреблять. Потребителя интересует та энергия, потребление которой идет ему на пользу, эту энергию можно назвать полезной, но в электротехнике ее принято называть активной. Это энергия, которая идет на нагрев помещений, готовку пищи, выработку холода, и превращаемая в механическую энергию (работа электродрелей, перфораторов, электронасосов и пр.).

Кроме активной электроэнергии существует еще и реактивная. Это та часть полной энергии, которая не расходуется на полезную работу. Как понятно из вышесказанного, полная мощность – это активная и реактивная мощность в целом.

В понятиях активная и реактивная мощность сталкиваются противоречивые интересы потребителей электрической энергии и ее поставщиков. Потребителю выгодно платить только за потребленную им полезную электроэнергию, поставщику выгодно получать оплату за сумму активной и реактивной электроэнергии. Можно ли совместить эти кажущиеся противоречивыми требования? Да, если свести количество реактивной электроэнергии к нулю. Рассмотрим, возможно ли подобное, и насколько можно приблизиться к идеалу.

Существуют потребители электроэнергии, у которых полная и активная мощности совпадают. Это потребители, у которых нагрузка представлена активными сопротивлениями (резисторами). Среди бытовых электроприборов примерами подобной нагрузки являются лампы накаливания, электроплиты, жарочные шкафы и духовки, обогреватели, утюги, паяльники и пр.

Указанная у этих приборов в паспорте, одновременно является активная и реактивная мощность. Это тот случай, когда мощность нагрузки можно определить по известной из школьного курса физики формуле, перемножив ток нагрузки на напряжение в сети. Ток измеряется в амперах (А), напряжение в вольтах (В), мощность в ваттах (Вт). Конфорка электрической плиты в сети с напряжением 220 В при токе в 4,5 А потребляет мощность 4,5 х 220 = 990 (Вт).

Иногда, проходя по улице, можно увидеть, что стекла балконов покрыты изнутри блестящей тонкой пленкой. Эта пленка изъята из бракованных электрических конденсаторов, устанавливаемых с определенными целями на питающих мощных потребителей электрической энергии распределительных подстанциях. Конденсатор – типичный потребитель реактивной мощности. В отличие от потребителей активной мощности, где главным элементом конструкции является некий проводящий электричество материал (вольфрамовый проводник в лампах накаливания, нихромовая спираль в электроплитке и т.п.). В конденсаторе главный элемент – не проводящий электрический ток (тонкая полимерная пленка или пропитанная маслом бумага).

Красивые блестящие пленки, что вы видели на балконе – это обкладки конденсатора из токопроводящего тонкого материала. Конденсатор замечателен тем, что он может накапливать электрическую энергию, а затем отдавать ее – своеобразный такой аккумулятор. Если включить конденсатор в сеть постоянного тока, он зарядится кратковременным импульсом тока, а затем ток через него протекать не будет. Вернуть конденсатор в исходное состояние можно, отключив его от источника напряжения и подключив к его обкладкам нагрузку. Некоторое время через нагрузку будет течь электрический ток, и идеальный конденсатор отдает в нагрузку ровно столько электрической энергии, сколько он получил при зарядке. Подключенная к выводам конденсатора лампочка может на короткое время вспыхнуть, электрический резистор нагреется, а неосторожного человека может «тряхнуть» или даже убить при достаточном напряжении на выводах и запасенном количестве электричества.

Интересная картина получается при подключении конденсатора к источнику переменного электрического напряжения. Поскольку у источника переменного напряжения постоянно меняются полярность и мгновенное значение напряжения (в домашней электросети по закону, близкому к синусоидальному). Конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, через него будет непрерывно протекать переменный ток. Но этот ток не будет совпадать по фазе с напряжением источника переменного напряжения, а будет опережать его на 90°, т.е. на четверть периода.

Это приведет к тому, что суммарно половину периода переменного напряжения конденсатор потребляет энергию из сети, а половину периода отдает, при этом суммарная потребляемая активная электрическая мощность равна нулю. Но, поскольку через конденсатор течет значительный ток, который может быть измерен амперметром, принято говорить, что конденсатор – потребитель реактивной электрической мощности.

Вычисляется реактивная мощность как произведение тока на напряжение, но единица измерения уже не ватт, а вольт-ампер реактивный (ВАр). Так, через подключенный к сети 220 В частотой 50 Гц электрический конденсатор емкостью 4 мкФ течет ток порядка 0,3 А. Это означает, что конденсатор потребляет 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивной мощности – сравнимо с мощностью средней лампы накаливания, но конденсатор, в отличие от лампы, при этом не светится и не нагревается.

Если в конденсаторе ток опережает напряжение, то существуют ли потребители, где ток отстает от напряжения? Да, и такие потребители, в отличие от емкостных потребителей, называются индуктивными, оставаясь при этом потребителями реактивной энергии. Типичная индуктивная электрическая нагрузка – катушка с определенным количеством витков хорошо проводящего провода, намотанного на замкнутый сердечник из специального магнитного материала.

На практике хорошим приближением чисто индуктивной нагрузки является работающий без нагрузки трансформатор (или стабилизатор напряжения с автотрансформатором). Хорошо сконструированный трансформатор на холостом ходу потребляет очень мало активной мощности, потребляя мощность в основном реактивную.

Из рассмотрения особенностей емкостной и индуктивной нагрузки возникает интересный вопрос – что произойдет, если емкостную и индуктивную нагрузку включить одновременно и параллельно. Ввиду их противоположной реакции на приложенное напряжение, эти две реакции начнут компенсировать друг друга. Суммарная нагрузка окажется только емкостной или индуктивной, и в некотором идеальном случае удастся добиться полной компенсации. Выглядеть это будет парадоксально – подключенные амперметры зафиксируют значительные (и равные!) токи через конденсатор и катушку индуктивности, и полное отсутствие тока в объединяющих их общей цепи. Описанная картина несколько нарушается лишь тем, что не существует идеальных конденсаторов и катушек индуктивности, но подобная идеализация помогает понять суть происходящих процессов.

Вернемся к реальным потребителям электрической энергии. В быту мы пользуемся в основном потребителями чисто активной мощности (примеры приведены выше), и смешанной активно-индуктивной. Это электродрели, перфораторы, электродвигатели холодильников, стиральных машин и прочей бытовой техники. Также к ним относятся электрические трансформаторы источников питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры и стабилизаторов напряжения. В случае подобной смешанной нагрузки, помимо активной (полезной) мощности, нагрузка потребляет еще и реактивную мощность, в итоге полная мощность отказывается больше активной мощности. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), и всегда представляет собой произведение тока в нагрузке на напряжение на нагрузке.

Отношение активной мощности к полной называется в электротехнике «косинусом фи». Обозначается cos φ. Это отношение называется также и коэффициентом мощности. Нетрудно видеть, что для случая чисто активной нагрузки, где полная мощность совпадает с активной, cos φ = 1. Для случаев чисто емкостной или индуктивной нагрузок, где нулю равна активная мощность, cos φ = 0.

В случае смешанной нагрузки значение коэффициента мощности заключается в пределах от 0 до 1. Для бытовой техники обычно в диапазоне 0,5-0,9. В среднем можно считать его равным 0,7, более точное значение указывается в паспорте электроприбора.

И, наконец, самый интересный вопрос – за какой вид энергии платит потребитель. Исходя из того, что реактивная составляющая суммарной энергии не приносит потребителю никакой пользы, при этом долю периода реактивная энергия потребляется, а долю отдается, платить за реактивную мощность незачем. Но бес, как известно, кроется в деталях. Поскольку смешанная нагрузка увеличивает ток в сети, возникают проблемы на электростанциях, где электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, а именно: индуктивная нагрузка «развозбуждает» генератор, и приведение его в прежнее состояние обходится в затраты уже реальной активной мощности на его «довозбуждение».

Таким образом, заставить потребителя платить за потребляемую реактивную индуктивную мощность вполне справедливо. Это побуждает потребителя компенсировать реактивную составляющую своей нагрузки, а, поскольку эта составляющая в основном индуктивная, компенсация заключается в подключении конденсаторов наперед рассчитанной емкости.

Если потребителем оплачивается отдельно потребляемая активная и реактивная мощность. Он готов идти на дополнительные затраты и устанавливать на своем предприятии батареи конденсаторов, включаемые строго по графику в зависимости от средней статистики потребления электроэнергии по часам суток.

Существует также возможность установки на предприятии специальных устройств (компенсаторов реактивной мощности), подключающих конденсаторы автоматически в зависимости от величины и характера потребляемой в данный момент мощности. Эти компенсаторы позволяют поднять значение коэффициента мощности с 0,6 до 0,97, т.е. практически до единицы.

Принято также, что если соотношение потребленной реактивной энергии и общей не превышает 0,15, то корпоративный потребитель от оплаты за реактивную энергию освобождается.

Что же касается индивидуальных потребителей, то, ввиду сравнительно невысокой потребляемой ими мощности, разделять счета на оплату потребляемой электроэнергии на активную и реактивную не принято. Бытовые электрической энергии учитывают лишь активную мощность электрической нагрузки, за нее и выставляется счет на оплату. Т.е. в настоящее время даже не существует технической возможности выставить индивидуальному потребителю счет за потребленную реактивную мощность.

Особых стимулов компенсировать индуктивную составляющую нагрузки у потребителя нет, да это и сложно осуществить технически. Постоянно подключенные конденсаторы при отключении индуктивной нагрузки будут бесполезно нагружать подводящую электропроводку. За электросчетчиком (перед счетчиком тоже, но за то потребитель не платит), что вызовет потребление активной мощности с соответствующим увеличением счета на оплату, а автоматические компенсаторы дороги и вряд ли оправдают затраты на их приобретение.

Другое дело, что производитель иногда устанавливает компенсационные конденсаторы на входе потребителей с индуктивной составляющей нагрузки. Эти конденсаторы, при правильном их подборе, несколько снизят потери энергии в подводящих проводах, при этом несколько повысив напряжение на подключенном электроприборе за счет уменьшения падения напряжения на подводящих проводах.

Но, что самое главное, компенсация реактивной энергии у каждого потребителя, от квартиры до огромного предприятия, снизит токи во всех линиях электропитания, от электростанции до квартирного щитка. За счет реактивной составляющей полного тока, что уменьшит потери энергии в линиях и повысит коэффициент полезного действия электросистем.

Основы реальной мощности | Силовая электроника

Духовка мощностью один киловатт, которая работает в течение одного часа, потребляет один киловатт-час энергии. Энергетические единицы так просто? В редких случаях да. Когда их нет, полезно иметь фундаментальное представление о силе и энергии. Не все электрические нагрузки одинаковы. Некоторые используют больше энергии, чем другие, а некоторые используют ту же энергию менее эффективно.

Сегодня в заголовках газет появляется энергоэффективность, и становится все более важным понимать основы измерения мощности и разницу между, казалось бы, двусмысленными терминами мощности и энергии.Более того, людям, не являющимся ЭЭ, может быть трудно понять электрические концепции, потому что электричество обычно нельзя увидеть или потрогать. По этой причине часто бывает полезно передавать электрические концепции в терминах физических и механических аналогий.

Единицы электрической энергии
Для выражения компонентов электрической энергии используется множество единиц измерения, включая, как правило, вольты, амперы, ватты, ватт-часы и частоту. Каждое из них – уникальное выражение, играющее уникальную роль в концепциях электроэнергии.

Электрическая мощность – это комбинация двух компонентов: одна выражается в вольтах, а другая – в амперах или амперах. Распространенная аналогия потока электричества в контуре – это поток воды в трубе. В этой физической аналогии давление воды представляет собой напряжение, а объем потока представляет собой ток. Как и в случае с электричеством, высокое значение любого из них может выполнить высокий уровень «работы». Вода под высоким давлением может разрезать сталь с очень малым объемом потока, однако большой объем воды, очень медленно движущийся по дороге, может унести большой автомобиль.

Энергия определяется способностью выполнять работу. Работа в условиях использования энергии в домашних условиях представляет собой сочетание света, тепла (сушилки, утюги, духовки, воздухонагреватели) и движения (двигатели) от электрических устройств. Счета за электроэнергию показывают, сколько электроэнергии было преобразовано в работу за месяц.

Мощность – это мера скорости преобразования энергии из одной формы в другую. Интегрирование или суммирование мощности во времени определяет энергию, потребляемую за этот период времени.

Связь между мощностью и энергией может быть более очевидной при использовании альтернативных единиц, в которых мощность выражается в виде скорости. Один ватт = 1 джоуль / сек. Умножение на время в секундах дает альтернативную единицу измерения энергии, джоуль, где 3600 джоулей = 1 ватт-час (Вт-час).

Если мощность измеряет, насколько быстро печь, скажем, преобразует электрическую энергию в тепло, энергия измеряет, сколько мощности было приложено за заданное время или сколько тепла было произведено в конечном итоге.Мультиварка на 100 Вт может потреблять столько же энергии, как и духовка на 1 кВт. Но поскольку скорость преобразования энергии в ней в десять раз ниже, мультиварка должна работать по десять часов за каждый час работы духовки, чтобы обеспечить такое же количество тепловой энергии. Вот почему кондиционеры обычно составляют большую часть счетов за электроэнергию в летнее время. Они быстро преобразуют энергию (большая мощность) и работают длительное время, особенно в более теплом климате.

Страница 2 из 3

При измерении такими приборами, как осциллографы, напряжение в сети переменного тока выглядит как синусоидальная волна.Половина синусоидальной волны выше нуля (положительная) означает энергию, переносимую электрическим зарядом в одном направлении, а половина синусоидальной волны ниже нуля (отрицательная) означает энергию, переносимую в противоположном направлении. Это изменение направления в каждом цикле дает название переменному или переменному току. Это вызвано чередованием положительных и отрицательных полюсов магнита, вращающегося в генераторе. Частота является результатом конструкции генератора и зависит от числа содержащихся в нем магнитных полюсов и скорости его вращения.

Чтобы упростить производство и распределение, электрические сети работают на определенных частотах, таких как 60 Гц в большинстве частей Америки и 50 Гц для многих других мест в мире. Все оборудование, добавляющее энергию в сеть (генераторы) или отводящее ее (приборы), должно работать с одинаковой частотой. Вот почему большинство электрических устройств, продаваемых в США, не будут работать должным образом при подключении к розеткам в Европе; частоты и, во многих случаях, линейные напряжения не совпадают. 50 Гц vs.60 Гц похожа на любую другую «войну форматов», вроде VHS против Betamax, но в любом случае не имеет реальных преимуществ. Большой проблемой является то, что стоимость преобразования всей системы распределения электроэнергии с одной частоты на другую является астрономически высокой.

Колебательный характер сигналов переменного тока усложняет измерение их значений. Например, среднее значение обычного сетевого напряжения переменного тока равно нулю, потому что волна проводит столько же времени выше нуля, что и ниже нуля.Таким образом, сигналы переменного тока обычно количественно определяются как вычисленное среднеквадратическое (RMS) значение. Этот расчет в точности соответствует названию. Во-первых, одиночный сигнал измеряется с высокой скоростью и разбивается с гладкой аналоговой волны на сотни точек данных. Затем точки данных возводятся в квадрат, усредняются вместе и, наконец, вычисляется квадратный корень из этого среднего. Результат – RMS. В США среднеквадратичное значение формы волны напряжения составляет около 120 В. Оно может незначительно колебаться, но обычно находится в пределах 5% от номинала.

Среднеквадратичное значение напряжения используется для расчета мощности переменного тока. Идеальное уравнение мощности, которое обычно преподают в физике средней школы, гласит, что мощность равна произведению напряжения и тока, или P = I × V. Хотя это верно для нагрузок постоянного тока (DC), это редко верно для систем переменного тока. Системы переменного тока имеют коэффициент полезного действия, известный как коэффициент мощности. Это означает, что с учетом номинальных значений среднеквадратичного значения напряжения и тока электрического устройства переменного тока их умножение не даст реальной мощности.Вот почему приборы часто указывают мощность в ваттах, а не в силе тока.

Треугольник мощности: действительная, полная, реактивная мощность и коэффициент мощности
Полная мощность – это произведение среднеквадратичного напряжения на среднеквадратичный ток, полученный в вольт-амперах (ВА). Электрические розетки, удлинители и провода, проложенные в домах и коммерческих зданиях, часто имеют номинальную мощность в ВА с учетом как реальной, так и реактивной мощности, которую должна поддерживать система.

Реальная мощность выражается в ваттах и ​​представляет собой фактическую энергию, преобразованную из электрической энергии в полезную работу.Расчет реальной мощности является произведением полной мощности на косинус угла между формами волны напряжения и тока. В случае, если ток не является истинной синусоидальной формой волны, альтернативный расчет должен взять среднюю мгновенную мощность за цикл. Другими словами, среднее значение напряжения, умноженное на ток, из каждой дискретной точки данных, измеренной за один цикл.

Реактивная мощность выражается в реактивных вольт-амперах (ВАР) и представляет собой энергию, которая используется для преобразования энергии в полезную работу, но сама не выполняет никакой полезной работы.

Хорошая механическая аналогия для этого – поршневой двигатель, который сегодня встречается в большинстве автомобилей. Полезная работа (реальная) от двигателя происходит за счет такта расширения поршня, но необходимо использовать некоторую энергию для «возврата» поршня в исходное положение через такт сжатия. Эта энергия (реактивная) не выполняет никакой полезной работы, поскольку не способствует продвижению автомобиля вперед, но необходима для поддержания работы системы. То же самое и с электроприборами.

Коэффициент мощности – это простое отношение реальной мощности к полной мощности.Коэффициент мощности (PF), равный 1, является наилучшим из возможных и наблюдается на чисто резистивных нагрузках. Большинство электрических устройств представляют собой комбинацию типов электрических нагрузок. Например, электрическая сушилка для одежды использует резистивные элементы для нагрева и индуктивные элементы (двигатели) для опрокидывания. Тем не менее, PF обычно используется только в промышленных целях, поскольку коммунальные службы не отслеживают его для отдельных домов.

Страница 3 из 3

Вместе коэффициент мощности, активная и реактивная мощность указывают на то, насколько эффективно электрическое устройство или нагрузка использует электрическую энергию.Инженеры могут получить «визуальную» индикацию этой эффективности, наложив форму волны измеренного тока на форму измеренного напряжения. Если они синфазны и их пики и точки пересечения нуля совпадают, тогда электрическая нагрузка использует всю энергию из сети для выполнения полезной работы. Степень запаздывания формы волны тока или опережения формы волны напряжения указывает на эффективность испытуемого электрического устройства. Электрические нагрузки, которые являются чисто резистивными, такие как лампы накаливания, имеют формы волны тока, которые идеально совпадают с формами волны напряжения.Для этих устройств применяется идеальное уравнение мощности P = I × V.

Еще один способ визуализировать три компонента силы – изобразить их в виде треугольника. Реактивная мощность отображается перпендикулярно реальной мощности, потому что вся часть реактивной мощности дает нулевой вклад в реальную работу. Полная мощность – это векторная сумма реальной и реактивной мощности. Следует отметить, что интегрирование любого из этих значений с течением времени (соответственно) даст энергетические эквиваленты ватт-часов, ВА-часов и VAR-часов.

Измерение мощности
По сути, экономия энергии равна экономии затрат. Одна из самых простых причин контролировать мощность – снизить потребление энергии. Это верно для всего, от объектов стоимостью в несколько миллиардов долларов до жилых домов на одну семью. Исторически сложилось так, что бытовые потребители могли видеть потребление энергии только раз в месяц, когда видели свои счета за коммунальные услуги. Это грубое измерение затрудняет корреляцию энергопотребления с потребляемой мощностью.Цифровые интеллектуальные счетчики, вероятно, улучшат эту ситуацию. Первое поколение этих устройств считывает ежедневное потребление энергии блоками по 15 минут. Такой вид потребления с высоким разрешением упрощает для домовладельцев нацеливание и сокращение конкретных действий, требующих большого количества энергии.

Контролируя мощность и энергию, потребители могут убедиться, что коммунальная компания выставляет им счета правильно. Сегодня стоимость сложного необходимого оборудования для мониторинга не имеет смысла для большинства бытовых потребителей.Зато цена вполне оправдана для офисных и производственных помещений с ежемесячными счетами за коммунальные услуги в десятки тысяч долларов. Интеллектуальные измерения также становятся более ценными в развивающихся странах, где распределение энергии менее регулируется или где энергия с большей вероятностью будет украдена.

Крупные потребители электроэнергии подписывают соглашения с коммунальными предприятиями, которые ограничивают объем производимых потерь энергии (VAR). Потраченная впустую энергия является проявлением коэффициента мощности объекта или PF.Двигатели добавляют VAR в электрическую систему, поэтому на крупных предприятиях важно контролировать коэффициент мощности, чтобы избежать штрафов. Чтобы повысить свои коэффициенты мощности, организации могут выборочно запускать тяжелое оборудование VAR, чтобы худшие нарушители не работали одновременно, или они могут установить специальное силовое оборудование, которое поглощает VAR, а не создает их. В этом отношении устройства с запаздывающим током и устройства с опережающим током будут отключаться при подключении к одной цепи.

Большинство людей слышали об отключениях, отключениях и скачках напряжения.Есть несколько других явлений в электросети, которые незаметны для обычных потребителей электроэнергии, но могут быть вредными для дорогостоящего производственного, промышленного или компьютерного оборудования. Контролируя качество электроэнергии, руководители предприятий могут активировать сигналы тревоги в случае возникновения опасных нарушений и предотвратить дорогостоящий ремонт и простои. Системные проблемы могут потребовать долгосрочных решений, таких как использование независимых генераторов на месте.

Стоимость электроэнергии за последние десять лет выросла на 40%.Если эта тенденция сохранится, процесс принятия обоснованного решения в отношении энергии будет все больше требовать глубокого знания единиц измерения, основных расчетов и использования измерений электрической энергии. EE&T

Промышленные заказчики сокращают расходы за счет повышения коэффициента мощности

Низкий коэффициент мощности вызывает падение напряжения и потери энергии в системе, что приводит к необходимости увеличения размеров всех объектов, от электростанции до электрического щита. Повышая коэффициент мощности, вы можете снизить плату за потребление и повысить эффективность оборудования.

ЧТО ТАКОЕ МОЩНОСТЬ?

Коэффициент мощности – это отношение активной мощности к полной. Поставляемая нами мощность называется полной мощностью (кВА). Полная мощность делится на активную мощность (кВт) и реактивную мощность (кВАр). Активная мощность обеспечивает энергию движения, тепла, света и звука. Реактивная мощность (индуктивная) используется для создания магнитных полей, необходимых для привода вращающегося оборудования, такого как двигатели, компрессоры и т. Д.

Коэффициент мощности = Активная мощность (кВт) X 100 / Полная мощность (кВА)

При установке конденсаторов составляющая реактивной мощности (кВАр) электросети будет уменьшаться, вызывая уменьшение составляющей полной мощности (кВА), тем самым улучшая коэффициент мощности.

Пример:

Заказчик «А» имеет груз со следующими характеристиками:

Полная мощность = 100 кВА

Активная мощность = 80 кВт

Реактивная мощность = 60 кВАр

Коэффициент мощности> = 80%

Установка конденсаторов мощностью 30 кВАр снизит реактивную мощность, подаваемую коммунальным предприятием, до 30 кВАр, а полную мощность, подаваемую коммунальным предприятием, до 85.4 кВА. Коэффициент мощности, измеренный на электросчетчике, увеличивается до 80 кВт / 85 кВА> X 100 = 94%.

Соотношение между реальной мощностью (кВт), полной мощностью (кВА) и реактивной мощностью (кВАр) можно представить в виде треугольника:

Что касается «индуктивных нагрузок», то это нагрузка, в которой используются магнитные поля. EG: двигатели, реле, соленоиды. Одно практическое правило заключается в том, что если он движется, это, вероятно, индуктивная нагрузка.

Power используется и необходим для передачи реальной мощности, но не выполняет никакой реальной работы. То есть: мощность, используемая для создания магнитных полей во вращающемся оборудовании, таком как двигатели. Единица измерения реактивной мощности – вольт-ампер реактивной мощности (ВАР).

Используется для выражения реактивной мощности в цепи. 1000 Вольт-ампер, реактивный (ВАр) = 1 кВольт-ампер, реактивный (кВАр).

Обычно используется для выражения власти во всех формах, но зарезервирован для выражения реальной силы. 1000 Вт (Вт) = 1 киловатт (кВт).

Используется для выражения общей нагрузки в цепи.1000 ВА = 1 кВА (киловольт-ампер).

Электронное устройство, способное накапливать электрический заряд. Обычно они состоят из двух проводов, разделенных изоляционным материалом.

Мощность, которая представляет собой комбинацию «активной мощности» и «реактивной мощности». Единица измерения полной мощности – вольт-амперы (ВА).

Мощность, используемая для выполнения механических работ и управления резистивными нагрузками, такими как нагреватели и лампы накаливания. Единица измерения активной мощности – ватты (Вт).

Плата за электроэнергию, включенную в ваш счет за пиковое потребление.Плата за потребление обычно рассчитывается исходя из пиковой мощности в кВт или кВА.

Отношение реальной мощности, протекающей к нагрузке, к полной мощности в цепи.

Что такое коэффициент мощности? | Как рассчитать формулу коэффициента мощности

Как понять коэффициент мощности

Пиво – это активная мощность (кВт) – полезная мощность или жидкое пиво – это энергия, которая выполняет работу. Это то, что вам нужно.

Пена – это реактивная мощность (кВАр) – пена – это потерянная или потерянная мощность.Вырабатываемая энергия не выполняет никакой работы, например выделяет тепло или вибрацию.

Кружка – кажущаяся мощность (кВА) – кружка – это потребляемая мощность или мощность, поставляемая коммунальным предприятием.

Если бы схема была эффективна на 100%, потребность была бы равна доступной мощности. Когда спрос превышает доступную мощность, на энергосистему оказывается нагрузка. Многие коммунальные предприятия добавляют плату за спрос к счетам крупных потребителей, чтобы компенсировать разницу между спросом и предложением (когда предложение ниже спроса).Для большинства коммунальных предприятий спрос рассчитывается на основе средней нагрузки, размещенной в течение 15–30 минут. Если требования к нагрузке нерегулярны, коммунальное предприятие должно иметь больше резервной мощности, чем если бы требования к нагрузке оставались постоянными.

Пик спроса – это когда спрос самый высокий. Перед коммунальными предприятиями стоит задача предоставить мощность, чтобы справиться с пиковыми потребностями каждого клиента. Использование электроэнергии в тот момент, когда она пользуется наибольшим спросом, может нарушить общее предложение, если не будет достаточно резервов. Таким образом, коммунальные услуги выставляют счет за пиковый спрос.Для некоторых крупных клиентов коммунальные предприятия могут даже взять самый большой пик и применить его в течение всего расчетного периода.

Коммунальные предприятия применяют надбавки к компаниям с более низким коэффициентом мощности. Издержки более низкой эффективности могут быть очень высокими – сродни вождению автомобиля, потребляющего много бензина. Чем ниже коэффициент мощности, тем менее эффективна схема и выше общие эксплуатационные расходы. Чем выше эксплуатационные расходы, тем выше вероятность того, что коммунальные предприятия накажут клиента за чрезмерную загрузку. В большинстве цепей переменного тока коэффициент мощности никогда не бывает равным единице, потому что на линиях электропередачи всегда присутствует некоторое сопротивление (помехи).

Как рассчитать коэффициент мощности

Для расчета коэффициента мощности вам понадобится анализатор качества электроэнергии или анализатор мощности, который измеряет как рабочую мощность (кВт), так и полную мощность (кВА), а также рассчитывает соотношение кВт / кВА.

Формулу коэффициента мощности можно выразить другими способами:

PF = (Истинная мощность) / (Полная мощность)

OR

PF = W / VA

Где ватты измеряют полезную мощность, а VA измеряют потребляемую мощность. Отношение этих двух значений по существу представляет собой полезную мощность к подаваемой мощности, или:

Как показывает эта диаграмма, коэффициент мощности сравнивает реальную потребляемую мощность с полной мощностью или потребляемой нагрузкой.Мощность, доступная для выполнения работы, называется реальной мощностью. Вы можете избежать штрафов за коэффициент мощности, исправив коэффициент мощности.

Низкий коэффициент мощности означает, что вы используете электроэнергию неэффективно. Это имеет значение для компаний, поскольку может привести к:

• Тепловым повреждениям изоляции и других компонентов схемы
• Уменьшению доступной полезной мощности
• Требуемому увеличению размеров проводов и оборудования

Наконец, коэффициент мощности увеличивает общая стоимость системы распределения энергии, поскольку более низкий коэффициент мощности требует более высокого тока для питания нагрузок.

Связанные ресурсы

Коэффициент мощности и тарифы на энергопотребление

{Щелкните здесь, чтобы получить версию в формате PDF}

В общих чертах, коэффициент мощности – это мера того, насколько эффективно электроэнергия используется в месте нахождения потребителя. Предположение коммунального предприятия о том, что коэффициент мощности потребителя близок к 1,0 («единичный коэффициент мощности»), представляет незначительный риск операций и изменения тарифа для большинства классов мощности. Однако из-за характера нагрузок на промышленных объектах коммунальное предприятие не может сделать такое же предположение для больших классов мощности.Поскольку большие силовые нагрузки с низким коэффициентом мощности потребляют больший ток и приводят к большему потреблению энергии в источнике энергии, а также в системе передачи и распределения, многие коммунальные предприятия взимают плату или «штраф за коэффициент мощности» в счетах промышленных потребителей. когда их коэффициент мощности падает ниже заданного порога.

Не существует общепринятой методики определения соответствующего коэффициента мощности для промышленных объектов; в США не существует единого национального стандарта, основанного на инженерных принципах или стандартах эксплуатации электроэнергетических систем.S. Многие коммунальные предприятия установили минимальный коэффициент мощности для своих промышленных потребителей; они устанавливаются по усмотрению коммунальных предприятий и обычно фиксируются в их тарифах, правилах или положениях.

Энергетические компании США применяют несколько различных форм штрафов за коэффициент мощности. Целью этих структур регулирования мощности является компенсация коммунальному предприятию дополнительных затрат, связанных с обеспечением повышенного тока, подачей дополнительных потерь и другим покрытием затрат, связанных с влиянием низкого коэффициента мощности на электрическую систему.Наиболее подходящий тариф для платы за коэффициент мощности следует определять на основе индивидуальных соображений в рассматриваемом случае, включая состав промышленных нагрузок на территории обслуживания, исторические характеристики коэффициента мощности этих нагрузок, общие затраты на коммунальные услуги, нормативный прецедент, и другие факторы.

Фон

Коэффициент мощности при эксплуатации электрической системы

Электроэнергия в цепи переменного тока состоит из трех компонентов. Реальная мощность – это мощность, производящая работу, измеряемая в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт). Например, реальная мощность дает механическую мощность двигателя. Реактивная мощность не производит работы, но необходима для работы оборудования и измеряется в реактивных вольт-амперах (ВАР) или киловарах (кВАр). Полная мощность – это векторная сумма реальной мощности и реактивной мощности, измеренная в единицах вольт-ампер (ВА) или киловольт-ампер (кВА).

Коэффициент мощности – это отношение реальной мощности к полной мощности, которое показывает, сколько реальной мощности потребляет электрическое оборудование.Это показатель того, насколько эффективно используется электроэнергия. Коэффициент мощности также равен косинусу фазового угла между сигналами напряжения и тока. Коэффициент мощности по определению попадает в числовой диапазон от 0 до 1 и часто выражается в процентах.

Цепи переменного тока, содержащие только резистивные нагревательные элементы (лампы накаливания, кухонные плиты и т. Д.), Имеют коэффициент мощности 1,0 (или 100%). Формы сигналов напряжения и тока синусоидальны и остаются ступенчатыми (или синфазными), меняя полярность в один и тот же момент в каждом цикле.Вся мощность, поступающая в нагрузку, потребляется; в нагрузке не накапливается энергия.

Цепи переменного тока, содержащие индуктивных элементов (электродвигатели, соленоидные клапаны, балласты ламп и др.), Часто имеют коэффициент мощности ниже 1,0. Для этих схем, где присутствуют индуктивные нагрузки, накопление энергии в нагрузках приводит к разнице во времени между формами сигналов тока и напряжения. Во время каждого цикла переменного напряжения дополнительная энергия в дополнение к любой энергии, потребляемой в нагрузке, временно сохраняется в нагрузке в электрических или магнитных полях, а затем возвращается в электрическую сеть через долю секунды позже в цикле.Приливы и отливы этой реактивной мощности увеличивают ток в линии. Таким образом, схема с низким коэффициентом мощности будет использовать более высокие токи для передачи заданного количества активной мощности, чем схема с высоким коэффициентом мощности.

Возьмем, к примеру, промышленного потребителя, который использует асинхронный двигатель на определенном предприятии. Асинхронные двигатели преобразуют максимум 80-90% переданной мощности в полезную работу или электрические потери. Оставшаяся мощность используется для создания электромагнитного поля в двигателе.Поле попеременно расширяется и сжимается (один раз в каждом цикле), поэтому энергия, потребляемая в поле в один момент, возвращается в систему электроснабжения в следующий момент. Следовательно, средняя мощность, потребляемая полем, равна нулю. Реактивная мощность не регистрируется на киловатт-час или киловатт-метр. Ток намагничивания создает реактивную мощность. Хотя он не выполняет полезной работы, он циркулирует между генератором и нагрузкой и приводит к большему расходу энергии на источнике энергии, а также в системе передачи и распределения.

Другими словами, когда коммунальное предприятие обслуживает объект с низким коэффициентом мощности, оно должно быть способно обеспечивать более высокие уровни тока для обслуживания данной нагрузки. Многие промышленные нагрузки являются индуктивными, например, двигатели, трансформаторы, балласты люминесцентных ламп, силовая электроника и индукционные печи. Эти виды нагрузок потребляют более высокие токи и могут влиять на работу электросети следующим образом:

• Увеличение линейных потерь
• Исчерпанная генерирующая мощность
• Избыточная распределительная / трансформаторная мощность
• Пониженная общая эффективность системы
• Повышенный максимальный спрос
• Расширенное обслуживание оборудования и машин

Повышение коэффициента мощности может привести к следующему:

• Снижение затрат на электроэнергию
• Снижение потерь при передаче и распределении
• Регулировка напряжения более высокого качества
• Увеличенная мощность для удовлетворения фактических требований к рабочей мощности
• Снижение непроизводительной нагрузки на систему

Коэффициент мощности при нормировании

Большинство коммунальных предприятий основывают свои платежи на реальной мощности – i.е. плата за потребление за кВт (или за реальную мощность в пик) и за энергию за израсходованные кВтч (или за фактическую мощность за каждый час). Также обратите внимание, что реактивная составляющая тока не регистрируется в киловатт-часах или киловаттметрах. По этим причинам многие коммунальные предприятия вводят элемент выставления счетов за коэффициент мощности для возмещения затрат, связанных с общей мощностью, которую они должны доставить конкретному потребителю.

По мере падения коэффициента мощности система становится менее эффективной. Например, если реальная потребляемая мощность на двух станциях одинакова, но коэффициент мощности одной из них равен 0.85, а другой имеет коэффициент мощности 0,70, коммунальное предприятие должно обеспечить на 21% больше тока для второй электростанции, чтобы удовлетворить спрос. Без элемента выставления счетов за коэффициент мощности коммунальное предприятие не получило бы больше доходов от второй электростанции, чем от первой, даже несмотря на то, что обслуживание второй станции возлагает на коммунальное предприятие большее бремя затрат, чем обслуживание первой станции. С точки зрения потребителя, трансформаторам и кабелю на втором заводе потребуется на 21% больше допустимой нагрузки по току, а коммунальному предприятию потребуется подавать больший ток на второй завод в режиме реального времени для оказания услуг.

Таким образом, в качестве средства компенсации нагрузки по подаче дополнительного тока многие коммунальные предприятия устанавливают штраф по коэффициенту мощности в своих тарифных планах, особенно для крупных промышленных потребителей.

Стандарты

В США нет единого стандарта для коэффициента мощности коммерческих или промышленных объектов, подключенных к электросети. Не существует общепринятой методики определения минимального или целевого коэффициента мощности объекта, основанной на технических принципах или стандартах эксплуатации электроэнергетической системы.

Некоторые коммунальные предприятия устанавливают минимальный коэффициент мощности в качестве эксплуатационного требования в соответствии со своими правилами и положениями, утвержденными регулирующими органами (для коммунальных предприятий, принадлежащих инвесторам и других регулируемых коммунальных предприятий), городскими советами (для муниципальных коммунальных предприятий) или советами директоров (для электрических кооперативов. ). Теория, лежащая в основе этого подхода, заключается в том, что минимальный коэффициент мощности необходим для защиты всей системы передачи и / или распределения от помех, гармоник или других событий, происходящих на объекте потребителя, которые могут привести к срабатыванию схем защитной релейной защиты и инициированию перебоев в работе сети. сетка.Однако эти минимумы не основаны на опубликованном стандарте или другом техническом кодексе, принятом на национальном уровне. По большей части эти минимумы устанавливаются по усмотрению коммунального предприятия (при условии утверждения соответствующим органом).

Альтернативы

Несмотря на то, что для крупных энергетических объектов не существует стандартных требований к коэффициенту мощности, существует небольшое количество различных структур выставления счетов, обычно устанавливаемых электрическими предприятиями для компенсации коэффициента мощности.

Один из методов заключается в том, что коммунальное предприятие устанавливает минимальный коэффициент мощности и взимает с потребителя дополнительную сумму, если коэффициент мощности потребителя падает ниже минимального. Обычно устанавливается минимальный коэффициент мощности от 0,80 до 0,95. Когда коэффициент мощности потребителя (определяемый при месячном пике с помощью соответствующих измерений) падает ниже минимального значения, коммунальное предприятие корректирует общую заявленную потребность в соответствии с отношением минимального коэффициента мощности к фактическому коэффициенту мощности. Альтернативой для коммунального предприятия является использование скользящей (нелинейной) шкалы, так что счета корректируются с помощью определенного скаляра в зависимости от фактического коэффициента мощности; как правило, чем ниже коэффициент мощности, тем выше эскалатор и, следовательно, штраф.

Другой способ, которым некоторые коммунальные предприятия взимают надбавку за низкий коэффициент мощности, – это взимать плату за кВА (полная мощность), а не за кВт (реальная мощность). Для этого требуется другая технология измерения и может потребоваться модификация готовых систем выставления счетов для учета единиц выставления счетов, отличных от кВт. Это позволяет избежать любой оценки суммы штрафа, выставляя заказчику счет за полную мощность, которая в любом случае включает влияние коэффициента мощности. Однако измерение для этого подхода может быть более дорогостоящим.

Другие коммунальные предприятия применяют сбалансированную методологию с использованием выставления счетов за кВт, при которой покупатели получают скидку за высокий коэффициент мощности или штраф за низкий коэффициент мощности. Энергетическая компания устанавливает целевой коэффициент мощности; если фактический коэффициент мощности превышает это целевое значение, предоставляется кредит по счету, а если фактический коэффициент мощности падает ниже целевого, начисляется штраф. Этот подход иногда используется с полосой пропускания, близкой к целевому коэффициенту мощности. Хотя этот подход разумен и сбалансирован, он менее распространен; чаще всего коммунальные предприятия оценивают штраф за низкий коэффициент мощности и отказываются от кредита для коэффициентов мощности выше целевого или минимального, установленного коммунальным предприятием.

Как правило, коммунальные предприятия налагают штрафы на коэффициент мощности или применяют кредиты только для своих крупных коммерческих и промышленных потребителей. Теоретически у всех классов потребителей коэффициент мощности меньше единицы; тем не менее, коммунальные предприятия обычно не учитывают штрафы за коэффициент мощности для непромышленных классов потребителей (особенно для жилых и небольших коммерческих предприятий) по нескольким причинам:

• Счетчики непомерно высоки
• Относительный размер клиентской нагрузки невелик (т.е. изменения коэффициента мощности несущественны)
• Разнообразие коэффициентов мощности внутри класса велико (т. Е. Изменения коэффициентов мощности множества отдельных потребителей компенсируют друг друга)

Оценка

Чтобы правильно определить, какой метод компенсации коэффициента мощности наиболее подходит для конкретной энергосистемы, она должна оценить несколько факторов. К ним относятся, помимо прочего, следующее:

1. Действует ли в настоящее время коммунальное предприятие начисление / кредит за коэффициент мощности?
2. Составляют ли крупные потребители электроэнергии значительную часть клиентской базы коммунального предприятия?
3. Были ли крупные потребители электроэнергии исторически хорошо или плохо работали в отношении коэффициента мощности?
4. Указывают ли исторические данные о коэффициенте мощности на необходимость изменения?
5. Может ли коммунальное предприятие оценить влияние потребителей с низким коэффициентом мощности на его планирование и работу? Более конкретно, происходят ли отказы оборудования или техническое обслуживание объектов в непосредственной близости от крупных потребителей электроэнергии с большей частотой по сравнению со всей системой? Есть ли у инженеров коммунального обслуживания анализ или другая информация, указывающая на то, что низкий коэффициент мощности отрицательно влияет на коммунальную инфраструктуру?
6. Является ли надежная альтернатива расчету на кВА или кВАр? Каковы дополнительные затраты на необходимые измерения? Может ли система выставления счетов за коммунальные услуги поддерживать этот метод?
7. Если коммунальное предприятие регулируется, каков нормативный прецедент в отношении штрафов за коэффициент мощности? Установил ли регулирующий орган конкретный метод? Предлагали ли другие коммунальные предприятия методы, которые были приняты или отклонены? Какая поддержка принятых методов потребовалась регулятором?
8. Как внедрение той или иной методологии повлияет на удовлетворенность клиентов? Окажет ли это значительное влияние на стоимость крупных клиентов? Будут ли возникать официальные жалобы? Каковы последствия для связей с общественностью?

Многие из этих соображений носят скорее качественный, чем количественный характер.Все это следует рассматривать всесторонне при формулировании рекомендуемого подхода к начислению или оценке коэффициента мощности на арене расчетов.

Рекомендация

Как правило, коммунальное предприятие должно создать структуру расчета тарифов, которая позволяет ему возмещать затраты, связанные с изменениями коэффициента мощности. Наиболее выгодный метод – полагаться на выставление счетов за кВА, так что изменения коэффициента мощности «встроены» в значение полной мощности, используемое для выставления счетов.Однако этот метод может быть дорогостоящим в зависимости от требуемых измерений, любых необходимых изменений в биллинговых системах и количества затронутых клиентов. Если необходимо полагаться на выставление счетов за кВт, обычно поощряются методы, которые устанавливают базовый или целевой коэффициент мощности, а затем увеличивают заявленную потребность в случае низкого коэффициента мощности или снижают его в случае благоприятного коэффициента мощности.

В частности, любая коммунальная компания, пересматривающая свои варианты начислений или кредитов за коэффициент мощности, должна оценить все проблемы, отмеченные в предыдущем разделе, и рассмотреть их все на комплексной основе при определении наилучшего подхода для данной конкретной коммунальной компании по начислению или оплате коэффициента мощности ратеминговые цели.

и его влияние на потребление энергии

Большинство дискуссий по вопросам энергоэффективности в производстве сосредоточено на выявлении легко обнаруживаемых и устраняемых источников потери энергии, таких как утечки сжатого воздуха, неэффективное освещение, оборудование, которое всегда остается включенным, когда оно не работает это должно быть и т. д. Но поскольку эти потери энергии решены, следующим шагом будет определение коэффициента мощности вашего производственного объекта.

Коэффициент мощности – это отношение реальной мощности к полной мощности, поступающей на нагрузку от источника.Это важная информация для производителей, поскольку низкий коэффициент мощности увеличивает счет за электроэнергию для вашего завода или фабрики.

Ниже приводится краткое описание того, что такое коэффициент мощности, как его рассчитать и как его решить. Для записи, эта информация была предоставлена ​​мне CAS Data Loggers, поставщиком оборудования для регистрации данных; Регистратор данных мощности Accsense Electrocorder EC-7VAR может использоваться для определения проблем с коэффициентом мощности.

Измерение коэффициента мощности
Коэффициент мощности (PF) измеряется от 0 до 1.0 (обычно указывается в процентах, при этом 100 процентов или 1,0 равны единице). Если коэффициент мощности вашего предприятия ниже определенного уровня (обычно 95-96 процентов), ваша коммунальная компания взимает плату за реактивную мощность. Это связано с тем, что низкий коэффициент мощности представляет собой неэффективный источник нагрузки, потребляющий реактивную (то есть нерабочую) мощность, которую коммунальное предприятие должно компенсировать.

Наилучшее использование мощности в цепи переменного тока – это когда напряжение и ток согласованы. Однако большая часть вашего электрического оборудования, вероятно, задерживается, поскольку потребляет ток, а это означает, что ток и напряжение смещены, что приводит к потреблению большего тока для работы.

Коэффициент мощности цепи переменного тока рассчитывается с использованием трех аспектов ее электрической мощности, поскольку они связаны друг с другом (см. Изображение, связанное с этой статьей):
* Реальная мощность – мощность, используемая для работы оборудования, выраженная в кВт.
* Реактивная мощность – мощность, не вызывающая работы, выраженная в кВАр. По мере увеличения использования реактивной мощности ваша электрическая система теряет больше энергии, отсюда и плата за реактивную мощность.
* Полная мощность – сочетание активной и реактивной мощности, выраженное в кВА.

Суть в том, что ваш процент PF показывает вам, какая часть общего тока, который вы потребляете, используется для выполнения реальной работы. Например, коэффициент мощности 80 процентов означает, что 20 процентов тока, протекающего на вашем предприятии, – это нерабочее напряжение.

Повышение коэффициента мощности
Можно применить несколько методов коррекции коэффициента мощности. Один из наиболее распространенных способов сделать это – установить корректирующее оборудование для снижения или устранения этих затрат.Но есть несколько простых методов, которые вы можете использовать, чтобы поднять PF, не покупая эти дорогие устройства, например:

Проверьте имеющееся оборудование, чтобы увидеть, не работают ли какие-либо части с напряжением выше номинального. Вы также можете сократить частоту использования на вашем предприятии двигателей с небольшой нагрузкой и избежать длительной работы двигателей на холостом ходу.

Линейные нагрузки с низким коэффициентом мощности, такие как асинхронные двигатели, можно корректировать с помощью пассивной сети конденсаторов или катушек индуктивности.Например, вы можете компенсировать индуктивный эффект нагрузки двигателя, используя локально подключенные конденсаторы. Если нагрузка имеет емкостное значение, подключите катушки индуктивности (также известные как реакторы) для корректировки коэффициента мощности.

Используйте блок автоматической коррекции коэффициента мощности, состоящий из ряда конденсаторов, переключаемых посредством контакторов. Эти контакторы управляются регулятором, который измеряет коэффициент мощности в электрической сети. В зависимости от нагрузки и коэффициента мощности сети контроллер коэффициента мощности будет переключать необходимые блоки конденсаторов ступенчато, чтобы коэффициент мощности оставался выше выбранного значения.

Для коррекции коэффициента мощности высоковольтных энергосистем или больших колеблющихся промышленных нагрузок все чаще используются силовые электронные устройства, такие как статический компенсатор VAR (вольт-амперный реактивный) или STATCOM (статический синхронный компенсатор). Эти системы способны компенсировать резкие изменения коэффициента мощности быстрее, чем конденсаторные батареи с контактором.

Преимущества коррекции коэффициента мощности
Помимо снижения счетов за электроэнергию на вашем предприятии и предотвращения платы за реактивную мощность, увеличение коэффициента мощности вашего объекта также снижает выбросы углерода, снижает потери I2R в трансформаторах и электрораспределительном оборудовании, а также снижает нагрев кабелей, распределительных устройств, трансформаторов и генераторов переменного тока, что может продлить срок службы оборудования. .

Электрическая мощность Одно- и трехфазная мощность Активная реактивная кажущаяся

Комплексная мощность

Это очень концептуально и важно для понимания. Для определения выражения комплексной мощности , мы должны сначала рассмотреть однофазную сеть, напряжение и ток которой могут быть представлены в сложной форме как V.e ^jα и I.e ^jβ . Где α и β – углы, которые составляют вектор напряжения и вектор тока относительно некоторой базовой оси соответственно.Активную мощность и реактивную мощность можно рассчитать, найдя произведение напряжения на сопряжение тока. Это означает, что

Это (α – β) не что иное, как угол между напряжением и током, следовательно, это разность фаз между напряжением. и ток, который обычно обозначается как φ.
Следовательно, приведенное выше уравнение можно переписать как

Где, P = VIcosφ и Q = VIsinφ.
Эта величина S называется комплексной мощностью .
Величина комплексной мощности i.е. | S | = (P ² + Q ² ) ^½ известна как полная мощность , и ее единица измерения – вольт-ампер. Эта величина является произведением абсолютного значения напряжения и тока. Опять же, абсолютное значение тока напрямую связано с тепловым эффектом согласно закону нагрева Джоуля. Следовательно, номинальные характеристики электрической машины обычно определяются ее полной допустимой мощностью в пределах допустимого температурного предела.
Следует отметить, что в уравнении комплексной мощности член Q [= VIsinφ] положителен, когда φ [= (α – β)] положительно, то есть ток отстает от напряжения, что означает, что нагрузка является индуктивной по своей природе. .Снова Q отрицательно, когда φ отрицательно; то есть ток ведет к напряжению, что означает, что нагрузка емкостная.

Однофазное питание

Однофазная система передачи электроэнергии практически недоступна, но все же мы должны знать основную концепцию однофазного питания , прежде чем переходить к современной трехфазной системе питания. Прежде чем переходить к подробностям об однофазном питании, давайте попробуем разобраться в различных параметрах энергосистемы. Три основных параметра системы электроснабжения – это электрическое сопротивление, индуктивность и емкость.

Сопротивление

Сопротивление является неотъемлемым свойством любого материала, благодаря которому он сопротивляется протеканию тока, препятствуя движению электронов через него из-за столкновения с неподвижными атомами. Тепло, выделяемое в результате этого процесса, рассеивается и называется омической потерей мощности. Пока ток протекает через резистор, между напряжением и током не будет разницы фаз, что означает, что ток и напряжение находятся в одной фазе; фазовый угол между ними равен нулю.Если ток I протекает через электрическое сопротивление R в течение t секунд, то общая энергия, потребляемая резистором, равна I ² .R.t. Эта энергия известна как активная энергия , а соответствующая мощность известна как активная мощность .

Индуктивность

Индуктивность – это свойство, благодаря которому индуктор накапливает энергию в магнитном поле в течение положительного полупериода и отдает эту энергию во время отрицательного полупериода однофазного источника питания.Если через катушку с индуктивностью L Генри протекает ток «I», энергия, запасенная в катушке в виде магнитного поля, определяется как

Мощность, связанная с индуктивностью, составляет , реактивная мощность .

Емкость

Емкость – это свойство, благодаря которому конденсатор накапливает энергию в статическом электрическом поле во время положительного полупериода и отдает во время отрицательного полупериода питания. Энергия, запасенная между двумя параллельными металлическими пластинами с разностью электрических потенциалов V и емкостью между ними C, выражается как

Эта энергия хранится в форме статического электрического поля.Мощность, связанная с конденсатором, также равна , реактивная мощность .

Активная мощность и реактивная мощность

Рассмотрим схему однофазной мощности , в которой ток отстает от напряжения на угол φ.
Пусть мгновенная разность электрических потенциалов v = V _m .sinωt
Тогда мгновенный ток можно выразить как i = I _m . sin (ωt – φ).
Где, V _m и I _m – максимальные значения синусоидально изменяющейся разности электрических потенциалов и тока соответственно.
Мгновенная мощность схемы определяется как

Активная мощность

Резистивная мощность

Давайте сначала рассмотрим условие, при котором однофазная силовая цепь является полностью резистивной по своей природе, что означает фазовый угол между напряжением и током, т.е. φ = 0 и, следовательно,


Из приведенного выше уравнения ясно, что каким бы ни было значение ωt, значение cos2ωt не может быть больше 1; следовательно, значение p не может быть отрицательным. Значение p всегда положительно независимо от мгновенного направления напряжения v и тока i, это означает, что энергия течет в обычном направлении, т.е.е. от источника к нагрузке, а p – скорость потребления энергии нагрузкой, которая называется активной мощностью . Поскольку эта мощность потребляется из-за резистивного эффекта электрической цепи, поэтому иногда ее также называют Resistive Power .

Реактивная мощность

Индуктивная мощность

Теперь рассмотрим ситуацию, когда однофазная силовая цепь полностью индуктивна, то есть ток отстает от напряжения на угол φ = + 90 ^o . Положив φ = + 90 ^o


В приведенном выше выражении обнаружено, что мощность течет в альтернативных направлениях.От 0 ^o до 90 ^o он будет иметь отрицательный полупериод, от 90 ^o до 180 ^o он будет иметь положительный полупериод, от 180 ^o до 270 ^o он будет снова иметь отрицательную половину цикл и с 270 ^o до 360 ^o он снова будет иметь положительный полупериод. Следовательно, эта мощность является альтернативной по своей природе с частотой, вдвое превышающей частоту питания. Поскольку мощность течет в переменном направлении, то есть от источника к нагрузке в течение одного полупериода и от нагрузки к источнику в следующем полупериоде, среднее значение этой мощности равно нулю.Следовательно, эта сила не делает никакой полезной работы. Эта мощность известна как , реактивная мощность . Поскольку объясненное выше выражение реактивной мощности относится к полностью индуктивной цепи, эта мощность также называется индуктивной мощностью .

Из этого можно сделать вывод, что если цепь является чисто индуктивной, энергия будет накапливаться в виде энергии магнитного поля в течение положительного полупериода и отдаваться во время отрицательного полупериода и скорости изменения этой энергии, выраженной как реактивной мощности индуктора или просто индуктивной мощности , и эта мощность будет иметь равный положительный и отрицательный цикл, а чистое значение будет равно нулю.

Емкостная мощность

Давайте теперь рассмотрим, что однофазная силовая цепь полностью емкостная, то есть ток опережает напряжение на 90 ^o , поэтому φ = – 90 ^o .


Следовательно, в выражении емкостной мощности также обнаруживается, что мощность течет в альтернативных направлениях. От 0 ^o до 90 ^o он будет иметь положительный полупериод, от 90 ^o до 180 ^o он будет иметь отрицательный полупериод, от 180 ^o до 270 ^o он будет снова иметь положительную половину цикл и от 270 ^o до 360 ^o он снова будет иметь отрицательный полупериод.Таким образом, эта мощность также является альтернативной по своей природе с частотой, вдвое превышающей частоту питания. Следовательно, как индуктивная мощность, емкостная мощность не выполняет никакой полезной работы. Эта мощность также является реактивной мощностью.

Активная составляющая и реактивная составляющая мощности

Уравнение мощности можно переписать как

Это выражение выше имеет две согласные; первая – V _м . I _m .cosφ (1 – cos2ωt), который никогда не становится отрицательным, поскольку значение (1 – cos2ωt) всегда больше или равно нулю, но не может иметь отрицательного значения.

Эта часть уравнения однофазной мощности представляет выражение реактивной мощности, которая также известна как активная мощность или истинная мощность. Среднее значение этой мощности, очевидно, будет иметь какое-то ненулевое значение, мощность физически выполняет некоторую полезную работу, и поэтому эту мощность также называют реальной мощностью или иногда ее называют истинной мощностью. Эта часть уравнения мощности представляет реактивную мощность, которая также известна как активная мощность или истинная мощность.
Второй член – V _м .I _m .sinφsin2ωt, который будет иметь отрицательные и положительные циклы. Следовательно, среднее значение этого компонента равно нулю. Этот компонент известен как реактивный компонент, поскольку он перемещается вперед и назад по линии, не выполняя никакой полезной работы.
Как активная мощность , так и реактивная мощность имеют одинаковые размеры в ваттах, но чтобы подчеркнуть тот факт, что реактивная составляющая представляет собой неактивную мощность, она измеряется в единицах реактивной мощности вольт-ампер или коротко VAR.
Однофазное питание относится к распределительной системе, в которой: все напряжения меняются в унисон.Его можно получить просто вращением движущейся катушки в магнитном поле или движением поля вокруг неподвижной катушки. Произведенное таким образом переменное напряжение и переменный ток называют однофазным напряжением и током. Различные типы цепей по-разному реагируют на подачу синусоидального сигнала. Мы рассмотрим все типы цепей по очереди, которые включают только электрическое сопротивление, только емкость и только индуктивность, а также их комбинацию и попытаемся установить уравнение мощности для однофазной цепи .

Однофазное уравнение мощности для чисто резистивной цепи

Давайте рассмотрим расчет однофазной мощности для чисто резистивной цепи. Цепь, состоящая из чистого омического сопротивления, проходит через источник напряжения V, как показано ниже на рисунке.

Где, В (t) = мгновенное напряжение.
В _м = максимальное значение напряжения.
ω = угловая скорость в радианах / секундах.

Согласно закону Ома,

Подставляя значение V (t) в вышеприведенное уравнение, мы получаем

Из уравнений (1.1) и (1.5) видно, что V (t) и I _R находятся в фазе. Таким образом, в случае чистого омического сопротивления нет разницы фаз между напряжением и током, то есть они находятся в фазе, как показано на рисунке (b).

Мгновенная мощность,

Из уравнения однофазной мощности (1.8) ясно, что мощность состоит из двух членов: одна постоянная часть, то есть

, а другая – колеблющаяся, то есть

Это значение равно нулю для полного цикла. Таким образом, мощность через чисто омический резистор дается как и показано на рис. (C).

Однофазное уравнение мощности для чисто индуктивной цепи

Индуктор – это пассивный компонент. Всякий раз, когда переменный ток проходит через катушку индуктивности, он противодействует протеканию тока через нее, создавая обратную ЭДС. Таким образом, приложенное напряжение, а не падение на нем, должно уравновешивать производимую обратную ЭДС. Схема, состоящая из чистого индуктора, подключенного к источнику синусоидального напряжения V _rms , показана на рисунке ниже.

Мы знаем, что напряжение на катушке индуктивности задается как,

Таким образом, из приведенного выше уравнения однофазной мощности ясно, что I отстает от V на π / 2 или, другими словами, V опережает I на π / 2, когда переменный ток проходит через индуктор i.е. I и V не в фазе, как показано на рис. (Е).

Мгновенная мощность определяется выражением,

Здесь формула мощности для однофазной сети состоит только из колеблющегося члена, а значение мощности для полного цикла равно нулю.

Однофазное уравнение мощности для чисто емкостной цепи

Когда переменный ток проходит через конденсатор, он сначала заряжается до максимального значения, а затем разряжается. Напряжение на конденсаторе задается как,


Таким образом, из приведенного выше расчета однофазной мощности для I (t) и V (t) ясно видно, что в случае конденсаторного тока напряжение опережает напряжение на угол π / 2.


Мощность через конденсатор состоит только из колеблющегося члена, а значение мощности для полного цикла равно нулю.

Однофазное уравнение мощности для цепи RL

Чисто омический резистор и катушка индуктивности соединены последовательно ниже, как показано на рис (g), через источник напряжения V. Тогда падение на R будет V _R = IR и на L будет V _L = IX _L .


Эти падения напряжения показаны в виде треугольника напряжения, как показано на рис. (I).Вектор OA представляет собой падение на R = IR, вектор AD представляет собой падение на L = IX _L , а вектор OD представляет собой результирующий из V _R и V _L .

– полное сопротивление цепи RL.
Из векторной диаграммы видно, что V ведет I и фазовый угол φ определяется как,

Таким образом, мощность состоит из двух членов, одного постоянного члена 0,5 В _м I _м cosφ и другого члена флуктуации 0,5 В _м I _м cos (ωt – φ), значение которого равно нулю для всего цикла.
Таким образом, это единственная постоянная часть, которая влияет на фактическое потребление энергии.
Таким образом, мощность, p = VI cos Φ = (среднеквадратичное напряжение × среднеквадратичный ток × cosφ) ватт
Где cosφ называется коэффициентом мощности и определяется выражением

I может быть разрешено в двух прямоугольных компонентах Icosφ вдоль V и Isinφ перпендикулярно V. Только Icosφ вносит вклад в активную мощность. Таким образом, только VIcosφ называется полностью заполненным компонентом или активным компонентом, а VIsinφ называется безводным компонентом или реактивным компонентом.

Однофазное уравнение мощности для RC-цепи

Мы знаем, что ток чистой емкости, напряжение проводов и чистое омическое сопротивление синфазны.Таким образом, чистый ток опережает напряжение на угол φ в RC-цепи. Если V = V _m sinωt и I будет I _m sin (ωt + φ).

Мощность такая же, как и в случае цепи R-L. В отличие от схемы R-L коэффициент мощности является ведущим в схеме R-C.

Определение трехфазного питания

Было обнаружено, что выработка трехфазного питания более экономична, чем выработка однофазного питания. В трехфазной системе электроснабжения три формы волны напряжения и тока смещены во времени на 120 ^– в каждом цикле питания.Это означает; каждая форма волны напряжения имеет разность фаз 120 ^o относительно другой формы волны напряжения, и каждая форма волны тока имеет разность фаз 120 ^o к другой форме волны тока. Определение трехфазной мощности гласит, что в электрической системе три отдельных однофазных мощности передаются тремя отдельными силовыми цепями. Напряжения этих трех мощностей в идеале находятся на расстоянии 120 ^o друг от друга по фазе времени. Точно так же токи этих трех мощностей также идеально отстоят друг от друга на 120 ^o .Идеальная трехфазная система питания подразумевает сбалансированную систему.

Трехфазная система считается несбалансированной, когда либо хотя бы одно из трех фазных напряжений не равно другому, либо фазовый угол между этими фазами не совсем равен 120 ^o .

Преимущества трехфазной системы

Есть много причин, по которым эта мощность более предпочтительна, чем однофазная.

1. Уравнение однофазной мощности – это
   
   , которая зависит от времени.Тогда как уравнение мощности трехфазного – это
   
   , которое является постоянной функцией, не зависящей от времени. Следовательно, однофазное питание пульсирует. Обычно это не влияет на двигатель с низким номиналом, но в двигателе с большим номиналом вызывает чрезмерную вибрацию. Таким образом, трехфазное питание более предпочтительно для силовой нагрузки высокого напряжения.
2. Мощность трехфазной машины в 1,5 раза выше, чем у однофазной машины того же размера.
3. Однофазный асинхронный двигатель не имеет пускового момента, поэтому мы должны предоставить некоторые вспомогательные средства запуска, но трехфазный асинхронный двигатель самозапускается и не требует никаких дополнительных средств.
4. Коэффициент мощности и КПД выше в случае трехфазной системы.

Трехфазное уравнение мощности

Для определения выражения уравнения трехфазной мощности , то есть для расчета трехфазной мощности , мы должны сначала рассмотреть идеальную ситуацию, когда трехфазная система сбалансирована. Это означает, что напряжение и токи в каждой фазе отличаются от соседних фаз на 120, ^или , а также амплитуда каждой волны тока одинакова и аналогичным образом амплитуда каждой волны напряжения одинакова.Теперь угловая разница между напряжением и током в каждой фазе трехфазной энергосистемы равна φ.

Тогда напряжение и ток фазы красный будут
соответственно.
Напряжение и ток фазы , желтый, , будут равны
соответственно.
А напряжение и ток синей фазы будут –
соответственно.
Следовательно, выражение мгновенная мощность в красной фазе –

Точно так же выражение мгновенная мощность в желтой фазе –

Точно так же выражение мгновенная мощность в синей фазе –

Общая трехфазная мощность системы складывается из индивидуальная мощность в каждой фазе –

Приведенное выше выражение мощности показывает, что общая мгновенная мощность постоянна и равна трехкратной реальной мощности на фазу.В случае выражения для однофазной мощности мы обнаружили, что существуют компоненты как реактивной мощности, так и активной мощности, но в случае выражения трехфазной мощности мгновенная мощность постоянна. Фактически в трехфазной системе реактивная мощность в каждой отдельной фазе не равна нулю, но их сумма в любой момент равна нулю.

Реактивная мощность – это форма магнитной энергии, протекающей в единицу времени в электрической цепи. Его единица измерения – VAR (вольт-ампер, реактивный). Эту мощность нельзя использовать в цепи переменного тока.Однако в электрической цепи постоянного тока он может быть преобразован в тепло, поскольку, когда заряженный конденсатор или катушка индуктивности подключаются к резистору, энергия, запасенная в элементе, преобразуется в тепло. Наша энергосистема работает от сети переменного тока, и большинство нагрузок, используемых в нашей повседневной жизни, являются индуктивными или емкостными, поэтому реактивная мощность является очень важным понятием с электрической точки зрения.

Коэффициент электрической мощности любого оборудования определяет количество реактивной мощности , которое ему требуется.Это отношение реальной или истинной мощности к полной полной мощности, необходимой электрическому устройству. Эти мощности могут быть определены как,

, где θ – разность фаз между напряжением и током, а cosθ – коэффициент электрической мощности нагрузки.

Реактивная мощность всегда присутствует в цепи, где есть разность фаз между напряжением и током в этой цепи, например, все наши бытовые нагрузки являются индуктивными. Таким образом, существует разница фаз между напряжением и током, и ток отстает от напряжения на определенный угол во временной области.Индуктивный компонент принимает отстающую реактивную мощность, а емкостной компонент поглощает ведущую реактивную мощность, здесь отстающая реактивная мощность относится к магнитной энергии, а ведущая реактивная мощность относится к электростатической энергии.

В типичной цепи переменного тока, такой как цепь RL (резистивная + индуктивная) или RC-цепь (резистивная + емкостная), реактивная мощность берется из источника питания в течение полупериода и возвращается в источник питания в течение следующего полупериода. Например, мощность, потребляемая для нагрузки RL, определяется как:

V = V _м sinωt, I = I _m sin (ωt – θ)

Здесь Q ₁ sin2ωt – реактивная мощность, которая является средним значением. равен нулю, это означает, что реактивная мощность никогда не используется.

Использование реактивной мощности

В электрической машине для преобразования энергии требуется магнитный домен, чтобы преобразовать ее форму. В электродвигателе необходимая магнитная область создается за счет реактивной мощности, которую он получает от источника питания. Сегодня почти каждой электрической нагрузке требуется реактивная мощность для работы, несмотря на реальную мощность. Даже в электрическом трансформаторе, который является основным блоком энергосистемы, первичный входной ток отстает, так как требуется запаздывающая VAR для намагничивания его сердечника и передачи мощности посредством взаимной индукции.

Реактивная мощность в линиях передачи

В линии передачи электроэнергии поток реактивной мощности в линии определяет напряжение на принимающей стороне. Управление уровнем напряжения на приемном конце очень важно, так как более высокое напряжение может повредить оборудование потребителя и приведет к большим потерям. Во многих случаях мы видим внезапное повышение или падение напряжения из-за молнии или из-за какого-либо сбоя на исправных фазах, и в любом случае происходит повреждение оборудования. Посмотрим, как напряжение зависит от реактивной мощности.
Реактивная мощность принимающей стороны определяется выражением,

Где θ – угол мощности, который поддерживается на очень низком уровне из-за соображений стабильности, X _l – реактивное сопротивление линии передачи, V _s – напряжение передающей стороны и V _r – напряжение на принимающей стороне.
Итак, Q _r становится,

Теперь уравнение формируется как,

Решая, мы получаем,

Математически, выражение, данное для реактивной мощности
Примечание: мы не принимали отрицательный знак, поскольку тогда V _r будет становится равным нулю, когда Q _r равно нулю, что невозможно.
Пусть Q ₁ будет реактивной мощностью, требуемой нагрузкой на принимающей стороне, а Q ₂ будет источником реактивной мощности от генерирующей или передающей стороны. Тогда Q _r будет (Q ₁ – Q ₂ ).

Случай – 1
Когда подача Q ₂ равна потребности Q ₁ , тогда V _s = V _r , напряжение на принимающей стороне будет равно конечному напряжению отправки, что желательно.

Случай – 2
Когда спрос больше, а предложение меньше, Q _r становится отрицательным.И поэтому напряжение на принимающей стороне становится меньше, чем на стороне отправки.

Случай – 3
Когда спрос меньше, предложение высокое, Q _r становится положительным. Таким образом, напряжение на принимающей стороне становится больше, чем на стороне отправки, что очень опасно.
Таким образом, мы увидели, как напряжение (и управление его уровнем), которое является основным требованием любой электрической нагрузки; зависит от реактивной мощности. В дневное время потребность в реактивной мощности увеличивается, поэтому происходит провал напряжения.С другой стороны, в утреннее время потребность в реактивной мощности меньше, поэтому происходит повышение уровня напряжения. Для поддержания уровня напряжения нужно сделать Q ₁ = Q ₂ .

Компенсация реактивной мощности

Как уже говорилось, необходимо контролировать превышение реактивной мощности, а также ее дефицит. Для этого выполняется компенсация с помощью различных устройств. Здесь реактор поглощает избыточную реактивную мощность, а конденсатор обеспечивает восполнение реактивной мощности в случаях высокого потребления.
Для нагрузок с низким коэффициентом мощности потребность в реактивной мощности очень высока. Следовательно, нам нужно увеличить коэффициент мощности, используя конденсаторную батарею. Это снижает потребность в переменном токе за счет подачи на нагрузку соответствующего количества реактивной мощности. Другие методы включают использование шунтирующего конденсатора, синхронных фазовых модификаторов, трансформатора с переключением ответвлений под нагрузкой и шунтирующего реактора. Синхронный двигатель с перевозбуждением используется в шунте с нагрузкой. Он служит конденсатором и также называется синхронным конденсатором.Шунтирующий реактор используется для снижения коэффициента электрической мощности. В трансформаторах с переключением ответвлений под нагрузкой коэффициент трансформации регулируется соответствующим образом для поддержания желаемого уровня напряжения, поскольку разность напряжений между передающей и принимающей сторонами определяет реактивную мощность.
Математически выражение для реактивной мощности (Q), необходимой для увеличения коэффициента электрической мощности с cosθ ₁ до cosθ ₂ , дается как,

Где, P – фактическая потребляемая мощность нагрузки (в ваттах). .
В случае если коэффициент электрической мощности должен быть уменьшен с cosθ ₂ до cosθ ₁ , реактивная мощность, которая должна быть поглощена шунтирующим реактором на конце нагрузки, определяется как:

Значения емкости или индуктивности Требуемый коэффициент мощности можно рассчитать с помощью,

Общие сведения о коэффициенте мощности и его важности

Коэффициент мощности – это показатель того, насколько эффективно вы используете электроэнергию. Чтобы обеспечить нас электроэнергией, работают различные виды энергии.Вот что делает каждый.

Рабочая мощность – «истинная» или «реальная» мощность, используемая всеми электрическими приборами для выполнения работы по обогреву, освещению, движению и т. Д. Мы выражаем это как кВт или киловатт. Распространенными видами резистивных нагрузок являются электрическое отопление и освещение.

Индуктивная нагрузка, такая как двигатель, компрессор или балласт, также требует реактивной мощности для создания и поддержания магнитного поля для работы. Мы называем эту нерабочую мощность кВАр или киловольт-ампер-реактивной.

В каждом доме и на предприятии есть как резистивные, так и индуктивные нагрузки. Соотношение между этими двумя типами нагрузок становится важным по мере добавления индуктивного оборудования. Рабочая мощность и реактивная мощность составляют полную мощность, которая называется кВА, киловольт-ампер. Мы определяем полную мощность по формуле, кВА2 = кВ * А.

Идя еще дальше, коэффициент мощности (PF) – это отношение рабочей мощности к полной мощности или формула PF = кВт / кВА. Высокий коэффициент мощности приносит пользу как потребителю, так и коммунальному предприятию, а низкий коэффициент мощности указывает на плохое использование электроэнергии.

Вот пример. Операция штамповки стали выполняется при 100 кВт (рабочая мощность), а счетчик кажущейся мощности регистрирует 125 кВА. Чтобы найти коэффициент мощности, разделите 100 кВт на 125 кВА, чтобы получить коэффициент мощности 80%. Это означает, что только 80% входящего тока выполняет полезную работу, а 20% тратится впустую из-за нагрева проводов. Поскольку Edisto Electric должна обеспечивать потребности всех клиентов как в кВт, так и в кВА, чем выше коэффициент мощности, тем эффективнее становится наша распределительная система.

Улучшение коэффициента мощности может максимизировать допустимую нагрузку по току, повысить напряжение на оборудование, снизить потери мощности и снизить счета за электроэнергию.Самый простой способ улучшить коэффициент мощности – добавить в электрическую систему конденсаторы коррекции коэффициента мощности. Конденсаторы коррекции коэффициента мощности действуют как генераторы реактивного тока. Они помогают компенсировать нерабочую мощность, используемую индуктивными нагрузками, тем самым улучшая коэффициент мощности. Взаимодействие между конденсаторами PF и специализированным оборудованием, таким как приводы с регулируемой скоростью, требует хорошо спроектированной системы.

PF могут включаться каждый день при запуске индуктивного оборудования. Включение конденсатора может вызвать очень кратковременное состояние «перенапряжения».Если у клиента возникают проблемы с приводом с регулируемой скоростью, который отключается из-за «перенапряжения» примерно в одно и то же время каждый день, исследуйте последовательность управления переключением. Если клиент жалуется на перегорание предохранителей на некоторых, но не на всех конденсаторах, проверьте наличие гармонических токов.

СЛЕДУЮЩИЙ