Реактивная мощность переменного тока: Теория реактивной мощности

Содержание

Что такое активная и реактивная электроэнергия?

Расчет электрической энергии, используемой бытовым или промышленным электротехническим прибором, производится обычно с учетом полной мощности электрического тока, проходящего через измеряемую электрическую цепь.
При этом выделяются два показателя, отражающие затраты полной мощности при обслуживании потребителя. Эти показатели называются активная и реактивная энергия. Полная мощность представляет собой сумму этих двух показателей. 

Полная мощность.
По сложившейся практике потребители оплачивают не полезную мощность, которая непосредственно используется в хозяйстве, а полную, которую отпускает предприятие-поставщик. Различают эти показатели по единицам измерения – полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), а полезная – в киловаттах. Активная и реактивная электроэнергия используется всеми запитанными от сети электроприборами.
Активная электроэнергия.
  Активная составляющая полной мощности совершает полезную работу и преобразовывается в те виды энергии, которые нужны потребителю. У части бытовых и промышленных электроприборов в расчетах активная и полная мощность совпадают. Среди таких устройств – электроплиты, лампы накаливания, электропечи, обогреватели, утюги и гладильные прессы и прочее. Если в паспорте указана активная мощность 1 кВт, то полная мощность такого прибора будет составлять 1 кВА.
Понятие реактивной электроэнергии. 
Этот вид электроэнергии присущ цепям, в составе которых имеются реактивные элементы. Реактивная электроэнергия — это часть полной поступаемой мощности, которая не расходуется на полезную работу. В электроцепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока реактивная составляющая возникает только в том случае, когда присутствует индуктивная или емкостная нагрузка. В таком случае наблюдается несоответствие фазы тока с фазой напряжения. Данный сдвиг фаз между напряжением и током обозначается символом «φ».
При индуктивной нагрузке в цепи наблюдается отставание фазы, при емкостной – ее опережение. Поэтому потребителю приходит только часть полной мощности, а основные потери происходят из-за бесполезного нагревания устройств и приборов в процессе эксплуатации. Потери мощности происходят из-за наличия в электрических устройствах индуктивных катушек и конденсаторов. Из-за них в цепи в течение некоторого времени происходит накопление электроэнергии. После этого запасенная энергия поступает обратно в цепь. К приборам, в составе потребляемой мощности которых имеется реактивная составляющая электроэнергии, относятся переносные электроинструменты, электродвигатели и различная бытовая техника. Эта величина рассчитывается с учетом особого коэффициента мощности, который обозначается как cos φ.
Расчет реактивной электроэнергии. 
Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент.
Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7. Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом.
Значение коэффициента при учете потерь. 
Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше будут потери активной электроэнергии – а значит конечному потребителю потребляемая электрическая энергия обойдется немного дешевле. Для того чтобы повысить значение этого коэффициента, в электротехнике используются различные приемы компенсации нецелевых потерь электроэнергии. Компенсирующие устройства представляют собой генераторы опережающего тока, сглаживающие угол сдвига фаз между током и напряжением.
Для этой же цели иногда используются батареи конденсаторов. Они подключаются параллельно к рабочей цепи и используются как синхронные компенсаторы.
Расчет стоимости электроэнергии для частных клиентов. 
Для индивидуального пользования активная и реактивная электроэнергия в счетах не разделяется – в масштабах потребления доля реактивной энергии невелика. Поэтому частные клиенты при потреблении мощности до 63 А оплачивают один счет, в котором вся потребляемая электроэнергия считается активной. Дополнительные потери в цепи на реактивную электроэнергию отдельно не выделяются и не оплачиваются. Учет реактивной электроэнергии для предприятий Другое дело – предприятия и организации. В производственных помещениях и промышленных цехах установлено огромное число электрооборудования, и в общей поступаемой электроэнергии имеется значительная часть энергии реактивной, которая необходима для работы блоков питания и электродвигателей. Активная и реактивная электроэнергия, поставляемая предприятиям и организациям, нуждается в четком разделении и ином способе оплаты за нее.
Основанием для регуляции отношений предприятия-поставщика электроэнергии и конечных потребителей в этом случае выступает типовой договор. Согласно правилам, установленным в этом документе, организации, потребляющие электроэнергию свыше 63 А, нуждаются в особом устройстве, предоставляющем показания реактивной энергии для учета и оплаты. Сетевое предприятие устанавливает счетчик реактивной электроэнергии и начисляет оплату согласно его показаниям.
Коэффициент реактивной энергии. 
Как говорилось ранее, активная и реактивная электроэнергия в счетах на оплату выделяются отдельными строками. Если соотношение объемов реактивной и потребленной электроэнергии не превышает установленной нормы, то плата за реактивную энергию не начисляется. Коэффициент соотношения бывает прописан по-разному, его среднее значение составляет 0,15. При превышении данного порогового значения предприятию-потребителю рекомендуют установить компенсаторные устройства.
Реактивная энергия в многоквартирных домах.
  Типичным потребителем электроэнергии является многоквартирный дом с главным предохранителем, потребляющий электроэнергию свыше 63 А. Если в таком доме имеются исключительно жилые помещения, плата за реактивную электроэнергию не взимается. Таким образом, жильцы многоквартирного дома видят в начислениях оплату только за полную электроэнергию, поставленную в дом предприятием-поставщиком. Та же норма касается жилищных кооперативов.
Частные случаи учета реактивной мощности. 
Бывают случаи, когда в многоэтажном здании имеются и коммерческие организации, и квартиры. Поставка электроэнергии в такие дома регулируется отдельными Актами. Например, разделением могут служить размеры полезной площади. Если в многоквартирном доме коммерческие организации занимают менее половины полезной площади, то оплата за реактивную энергию не начисляется. Если пороговый процент был превышен, то возникают обязательства оплаты за реактивную электроэнергию. В ряде случаев жилые дома не освобождаются от оплаты за реактивную энергию.
Например, если в доме установлены пункты подключения лифтов для квартир, начисление за использование реактивной электроэнергии происходит отдельно, лишь для этого оборудования. Владельцы квартир по-прежнему оплачивают лишь активную электроэнергию.

Назад к списку

Для чего необходима компенсация реактивной мощности?

Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности

), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором), не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей и создает дополнительную нагрузку на силовые линии питания. Поэтому очень важен компенсатор реактивной мощности.

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (ф) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е.: cos(ф) = P/S. Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом. Чем ближе значение cos(ф) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

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

Соответственно все оборудование питания сети, передачи и распределения энергии должны быть рассчитаны на большие нагрузки.

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

В результате этого:

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

 

Все сказанное выше является основной причиной того, что предприятия электроснабжения требуют от потребителей снижения доли реактивной мощности в сети. Решением данной проблемы является компенсация реактивной мощности – важное и необходимое условие экономичного и надежного функционирования системы электроснабжения предприятия. Эту функцию выполняют устройства компенсации реактивной мощности КРМ-0,4 (УКМ-58) — конденсаторные установки, основными элементами которых являются конденсаторы.

Правильная компенсация позволяет:

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

Кроме того, в существующих сетях

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

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

 

Зачем компенсировать реактивную мощность?

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

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

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

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

Основные потребители реактивной мощности:

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

 

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а косинус фи уменьшается при малой нагрузке. Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40.

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

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

Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок).

Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:

  • разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;
  • снизить расходы на оплату электроэнергии
  • при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник;
  • подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
  • сделать распределительные сети более надежными и экономичными.

 

продольная и поперечная компенсация реактивной мощности

Способ компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного тока

Изобретение относится к электротехнике, прежде всего, — к способам и устройствам для компенсации или регулирования коэффициента мощности в преобразователях или инверторах и, в частности, касается способов компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного тока промышленных предприятий и/или, индивидуальных потребителей этой мощности для обеспечения требований энергосистемы к потреблению реактивной мощности.

Известен способ подключения компенсатора реактивной мощности к рабочему напряжению, содержащего несколько расположенных параллельно друг к другу компенсационных компонентов (RU, 2342759, С2). Согласно такого известного способа для подключения компенсатора реактивной мощности к рабочему напряжению (U) сначала компенсационные компоненты (К1-К3) с помощью блока управления (CU) подключают к рабочему напряжению (U) последовательно друг за другом через добавочное сопротивление (R), а затем без добавочного сопротивления. В качестве подключенной компенсационной компоненты (К1) применяют активную компоненту (К1) с по меньшей мере одним управляемым элементом реактивной мощности, например, с управляемым тиристором реактивным сопротивлением (TCR). Хотя этот способ и позволяет устранить недопустимо высокие обратные воздействия на рабочее напряжение, однако не может избежать потерь активной мощности на добавочном сопротивлении.

Известно устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее конденсаторную батарею и устройство ее защиты от перенапряжения, подключаемого параллельно к конденсаторной батареи (RU, 66620, U1).

Устройство снабжено блоком измерения напряжения, вход которого подсоединен ко входу конденсаторной батареи, а выход блока управления соединен с блоком коммутации, при том его коммутирующие части включены в цепь конденсаторной батареи, выполненной из трех конденсаторов разных емкостей в соотношении 0,8:1,0:1,2 номинального значения. Данное устройство достаточно сложное, предназначено исключительно для электрических сетей высокого напряжения и, соответственно, решает задачу компенсации реактивной мощности с учетом специфики таких сетей.

Известен светодиодный источник света, содержащий понижающий преобразователь напряжения, который через выпрямительный диодный мост соединен с по меньшей мере одним светодиодом, а между выпрямительным диодным мостом и светодиодом параллельно с ним включен емкостной фильтр (RU, 79741, U1). Понижающий преобразователь напряжения выполнен из цепочки последовательно соединенных конденсаторов, по меньшей мере один из которых, являющийся конденсатором отбора мощности, соединен с выпрямительным диодным мостом. Так как в понижающем преобразователе напряжения отсутствуют активные сопротивления, работа предлагаемого светодиодного источника света отличается сверхнизким потреблением активной электроэнергии, однако для такого источника характерна неустойчивая работа в переходных режимах, особенно в моменты кратковременного многократного повторяющегося включения-выключения.

Известен также компенсатор реактивной мощности, содержащий вентильный мост, в плечах которого установлены полупроводниковые ключи в виде транзисторов или полностью управляемых тиристоров. В цепи переменного тока моста, соединенного с сетью, установлен конденсатор, а в цепи постоянного тока мост закорочен через реактор (US, 4647837).

Поскольку полностью управляемые ключи переключаются при больших значениях токов и напряжений, это приводит к значительным коммутационным потерям, повышению массы и габаритов устройства.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного тока промышленных предприятий и/или индивидуальных потребителей, описанный в патенте RU, 45572, U1. Согласно этого известного способа в каждой линии питающей сети устанавливают вентильный мост, входная цепь которого со стороны питающей сети содержит конденсатор 3, и пропускают выходной ток вентильного моста через нагрузку, представляющую собой колебательный LC-контур, подключенный к выводам постоянного тока моста, причем в качестве ключевых элементов моста используют тиристоры, что обеспечивает регулирование током конденсатора.

Реализация данного способа также приводит к коммутационным потерям, для способа-прототипа характерна неустойчивая работа в переходных режимах и ограниченность применения.

В основу изобретения поставлена задача создать такой способ компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного тока промышленных предприятий и/или индивидуальных потребителей, в котором благодаря использованию по меньшей мере одного светодиода как средства, обеспечивающего регулирование токовыми параметрами входящей цепи вентильного моста, удалось достаточно просто и без коммутационных потерь компенсировать индуктивную реактивную мощность в сети потребителей емкостной реактивной мощностью светодиодов и одновременно за счет свечения светодиодов в процессе эксплуатации обеспечить при реализации способа дополнительную функцию общего освещения.

Поставленная задача решается тем, что в способе компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного тока промышленных предприятий и/или индивидуальных потребителей, заключающийся в установлении в каждой линии питающей сети вентильного моста, имеющего во входной цепи со стороны питающей сети по меньшей мере один конденсатор, и пропускании выходного тока вентильного моста через нагрузку, обеспечивающую регулирование тока, протекающего через этот конденсатор, согласно изобретению, в качестве нагрузки используют по меньшей мере один светодиод.

Наиболее предпочтительно, чтобы выходной ток вентильного моста, поступающий на светодиод, предварительно сглаживать резисторно-емкостным фильтром, подключенным к выходным полюсам этого моста, а затем пропускать этот ток через последовательно соединенные регулятор тока и токоограничивающий резистор, причем для формирования напряжения на управляющем электроде регулятора тока предпочтительно использовать опорный резистор, подключенный параллельно светодиоду.

Целесообразно также дополнительно к резисторно-емкостному фильтру подключать ограничитель напряжения, обеспечивающий защиту светодиода, срезая скачки напряжения, возникающие в питающей сети, а во входную цепь вентильного моста параллельно конденсатору, формирующему напряжение на вентильном мосту, включать сглаживающую индуктивность.

Такое выполнение способа согласно изобретению и предпочтительных вариантов его осуществления позволяет обеспечить компенсацию индуктивной реактивной мощности в питающей сети переменного тока промышленных предприятий и/или индивидуальных потребителей емкостной реактивной мощностью по меньшей мере одного светодиода, или включающей его схемы, введенной в выходную цепь постоянного тока вентильного моста.

Далее сущность изобретения поясняется более подробным описанием изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 представляет схему устройства для осуществления способа согласно изобретению;

фиг. 2 — вариант устройства для осуществления способа согласно изобретению, предусматривающего дополнительное использование сглаживающего фильтра, регулятора тока и токоограничивающего резистора;

фиг.3 — вариант устройства для осуществления способа, согласно изобретению, предусматривающего дополнительное использование ограничителя напряжения;

фиг.4 — вариант устройства для осуществления способа согласно изобретению, предусматривающего дополнительное использование сглаживающей индуктивности;

фиг.5 — схему включения в трехфазную электрическую, сеть трех одинаковых устройств для осуществления способа согласно изобретению.

Для пояснения сущности заявляемого способа на фиг.1-4 представлены различные устройства для его осуществления. Так, на фиг.1 показано устройство для компенсации реактивной составляющей мощности в сетях переменного тока, потребляющих такую мощность, например, таких сетей, как осветительные сети или сети электроснабжения промышленных цехов потребителя.

Каждая линия (фаза) питающей сети 1 имеет вентильный мост 2, в котором со стороны сети 1 в его входной цепи установлены два последовательно соединенных конденсатора 3, 4, причем конденсатор 3 зашунтирован высокоомным разрядным резистором 5, подключен одним концом к одному из полюсов моста 2 и предназначен для формирования величины тока, протекающего через нагрузку, а конденсатор 4 включен между полюсами входной цепи моста 2 параллельно сети 1 и служит для формирования уровня напряжения на вентильном мосту 2.

В выходной цепи постоянного тока моста 2, согласно изобретению, установлен по меньшей мере один светодиод 6 (на фиг.1 показан один светодиод, а на фиг.2-4 показана последовательно группа светодиодов 6). Количество светодиодов 6 выбирают, исходя из требуемого светового потока для освещения окружающего пространства. При протекании выпрямленного тока светодиод 6 вспыхивает и освещает окружающее пространство. При протекании тока через конденсатор 3 возникает емкостная реактивная мощность, и согласно предлагаемому решению индуктивная реактивная мощность в сети потребителя будет компенсирована емкостной реактивной мощностью, за счет чего повышается коэффициент мощности (cosφ), и одновременно такой компенсатор может служить источником освещения.

Согласно изобретению, возможны различные модификации патентуемого способа, обеспечивающие оптимальные условия компенсации реактивной мощности для сетей, потребляющих такую мощность.

Как показано на фиг.2, в выходной цепи моста 2 до подачи выпрямленного тока в цепь светодиодов 6 выходной ток сглаживают емкостным фильтром 7, предпочтительно содержащим включенный параллельно между полюсами выходной цепи моста 2 конденсатор 8 (например, электролитический конденсатор большой емкости), зашунтированный последовательно соединенными резистором 9 и терморезистором 10. Выходной ток фильтра 7 далее пропускают через последовательно соединенные регулятор 11 тока и токоограничивающий резистор 13, причем параллельно светодиоду подключают опорный резистор 12, формирующий напряжение на управляющем электроде регулятора 11 тока. В качестве регулятора тока может быть использована микросхема серии ЕН или аналоги серии HV.

Такое выполнение позволяет сгладить пульсации выпрямленного тока и одновременно обеспечить поддержание номинальной величины тока через светодиоды 6.

Как показано на фиг.3, для защиты светодиодов 6 от скачков напряжений, возникающих в питающей сети, параллельно фильтру 7 подключают ограничитель напряжения 14.

Для обеспечения оптимальных условий компенсации и защиты от нестабильной подачи тока в питающей сети 1 во входную цепь вентильного моста 2 параллельно конденсатору 4, формирующему напряжение на вентильном мосту, включают сглаживающую индуктивность 15 (фиг.4).

Схема включения устройства 16 для компенсации реактивной мощности в трехфазную электрическую сеть согласно заявленному способу показана на фиг.5. Каждое из устройств 16 включается в свою фазу (линию), чем достигается равномерность компенсации реактивной мощности по фазам.

Вырабатываемая устройством реактивная мощность носит характер емкостной реактивной мощности и вычисляется по формуле (1):

где,

U — напряжение в компенсируемой сети потребителя, Uc;

Хс — емкостное сопротивление, рассчитываемое по формуле (2).

где,

f — частота переменного тока в сети потребителя;

С — емкость конденсатора 3.

Так как у потребителя генерируется значительная индуктивная реактивная мощность, то при применении предлагаемого способа компенсации реактивной мощности в сети потребителя она компенсируется емкостной реактивной мощностью, в результате улучшается коэффициент мощности (cosφ) и одновременно за счет свечения светодиодов такой способ позволяет дополнительно реализовать функции источника света общего освещения.






Активная, реактивная, полная мощность и коэффициент мощности

Мощностные характеристики нагрузки можно точно задать одним единственным параметром (активная мощность в Вт) только для случая постоянного тока, так как в цепи постоянного тока существует единственный тип сопротивления – активное сопротивление.

Мощностные характеристики нагрузки для случая переменного тока невозможно точно задать одним единственным параметром, так как в цепи переменного тока существует два разных типа сопротивления – активное и реактивное. Поэтому только два параметра: активная мощность (это полезная мощность, отбираемая нагрузкой, в том числе и ИБП, из электросети и преобразуемая в энергию любого иного вида (механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную и др.) и реактивная мощность ( это мощность или поток энергии, циркулирующий через реактивное сопротивление электрической цепи (емкостное или индуктивное).

Рассеяния энергии на реактивных элементах не происходит, так как полученная ими энергия от источника и энергия и возвращенная обратно в сеть в течение периода эквивалентны. Считается, что в большинстве случаев реактивная энергия (мощность), циркулирующая в электрической цепи, является паразитной и приводит к нежелательному разогреву проводников, а также к перегреву и ухудшению режимов работы прочих устройств сети, как генерирующих электричество, так и его потребителей.) точно характеризуют нагрузку.

Принцип действия активного и реактивного сопротивлений совершенно различный. Активное сопротивление – необратимо преобразует электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, световую и т. д.) – примеры: лампа накаливания, электронагреватель (параграф 39, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007). Реактивное сопротивление – попеременно накапливает энергию затем выдаёт её обратно в сеть – примеры: конденсатор, катушка индуктивности (параграф 40,41, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).

Дальше в любом учебнике по электротехнике Вы можете прочитать, что активная мощность (рассеиваемая на активном сопротивлении) измеряется в ваттах, а реактивная мощность (циркулирующая через реактивное сопротивление) измеряется в варах; так же для характеристики мощности нагрузки используют ещё два параметра: полную мощность и коэффициент мощности.
Все эти 4 параметра:

  1. Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт
  2. Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)
  3. Полная мощность:обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер)
  4. Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ, единица измерения: безразмерная величина
Эти параметры связаны соотношениями:  S*S=P*P+Q*Q,   cosФ=k=P/S
Также cosФ называется коэффициентом мощности (Power Factor – PF)

Поэтому в электротехнике для характеристики мощности задаются любые два из этих параметров так как остальные могут быть найдены из этих двух.

То же самое и с источниками питания. Их мощность (нагрузочная способность) характеризуется одним параметром для источников питания постоянного тока – активная мощность (Вт), и двумя параметрами для ист. питания переменного тока. Обычно этими двумя параметрами являются полная мощность (ВА) и активная (Вт). См. например параметры ДГУ и ИБП.

Большинство офисной и бытовой техники, активные (реактивное сопротивление отсутствует или мало), поэтому их мощность указывается в Ваттах. В этом случае при расчёте нагрузки используется значение мощности ИБП в Ваттах. Если нагрузкой являются компьютеры с блоками питания (БП) без коррекции входного коэффициента мощности (APFC), лазерный принтер, холодильник, кондиционер, электромотор (например погружной насос или мотор в составе станка), люминисцентные балластные лампы и др. – при расчёте используются все вых. данные ибп: кВА, кВт, перегрузочные характеристики и др.

Нагрузочная способность ИБП и ДГУ нормирована на стандартную промышленную нагрузку (коэффициент мощности 0. 8 с индуктивным характером). Например, ИБП 100 кВА / 80 кВт. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 80 кВт, или смешанную (активно-реактивную) нагрузку максимальной мощности 100 кВА с индуктивным коэффициентом мощности 0.8. В стабилизаторах напряжения дело обстоит иначе.

Для стабилизатора напряжения коэффициент мощности нагрузки безразличен. Например, стабилизатор напряжения 100 кВА. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 100 кВт, или любую другую (чисто активную, чисто реактивную, смешанную) мощностью 100 кВА или 100 кВАр с любым коэффициентом мощности емкостного или индуктивного характера. Обратите внимание, что это справедливо для линейной нагрузки (без высших гармоник тока). При больших гармонических искажениях тока нагрузки (высокий КНИ) выходная мощность стабилизатора снижается.

Мощности в цепях переменного тока

Расчетные формулы для цепей однофазного тока

1.  Мгновенное значение мощности в цепи с активным сопротивлением r, Вт:

 

 

 

Среднее значение активной мощности в цепи с активным сопротивлением г, Вт:

2. Цепи с чисто индуктивным сопротивлением: ток в цепи i=Im sinωt, тогда ЭДС самоиндукции

 

т.е. ЭДС отстает от тока, ее вызвавшего, на угол 

 

 

 

 

Падение напряжения на катушке

Мгновенная мощность катушки

Средняя за период мощность идеальной катушки:

 

Это означает, что в течение периода идеальная катушка дважды получает от источника энергию, преобразуя ее в магнитное поле, и дважды возвращает ее.

Реактивная мощность катушки, вар,

3. .

Емкостное сопротивление, Ом, 

ействующее значение тока, А,

Мгновенная мощность

Средняя мощность

В течение периода конденсатор дважды получает от ис­точника энергию для заряда (создания электрического поля в диэлектрике) и дважды возвращает ее источнику (разряжа­ется).

Реактивная мощность конденсатора, вар,

Из изложенного следует важный для практики вывод: токи индуктивности и емкости в цепи переменного тока в каждый момент времени направлены в противоположные стороны. Другими словами, в каждый момент времени, когда катушка получает от источника электромагнитную энергию, конденсатор возвращает ее источнику и наоборот.

4. Цепь, содержащая последовательно включенные ак­тивное, индуктивное и емкостное сопротивления (рис. 1.9).

 

Реактивное сопротивление цепи, Ом,

Полное сопротивление цепи, Ом,

Угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока

Коэффициент мощности цепи

Мгновенное значение приложенного напряжения равно сум­ме мгновенных значений падений напряжений на участках цепи:

Мгновенное значение мощности для этой цепи, Вт,

Среднее значение мощности равно активной мощности, Вт:

 

Реактивная мощность, вар,

Полная мощность, В-А,

При xL = xc имеет место резонанс напряжения, цепь ведет себя как чисто активная, а ток имеет наибольшее (при U = const) значение.

 

5. Цепь, содержащая параллельно включенные активное, индуктивное и емкостное сопротивления (рис. 1.10).

В такой цепи все элементы находятся под одинаковым напряжением источника

Проводимости элементов цепи:

активная, См,

емкостная,См, 

индуктивная, См,

 

Угол сдвига фаз тока и напряжения

Полная проводимость цепи, содержащей элементы R, L, С, См:

Значения мощностей рассчитываются по приведенным выше формулам.

При вс= Bl имеет место резонанс токов. Общий ток в цепи имеет минимальное значение и активный характер.

На практике параллельное включение конденсаторов в однофазной и трехфазной цепях широко используется для разгрузки питающих линий (проводов, кабелей, шин) от реактивной (индуктивной) составляющей тока. Это позволяет уменьшить потери электроэнергии в передающих линиях, и тем самым экономить ее, выбирать меньшие сечения про­водов и кабелей для питания тех же самых электроприем­ников.



Регулируемый компенсатор реактивной мощности

А.М. Кривной, заместитель генерального директора ОЦВ

В.В. Литовченко, научный консультант ОЦВ, кандидат технических наук

Железные дороги являются одним из самых крупных транспортных потребителей энергоресурсов. Ежегодное потребление достигает 5-6% вырабатываемой в стране электроэнергии. Из потребляемых в год около 38 млрд. кВтџч электроэнергии боле 80% расходуется на тягу поездов.

В условиях роста цен на энергоносители, возрастающей конкуренции со стороны других видов транспорта снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения энергоемкости перевозочного процесса является одной из приоритетных задач энергетической стратегии железнодорожного транспорта. Актуальность снижения расхода электроэнергии на тягу поездов обусловлена и чрезвычайно высоким абсолютным ее значением — свыше 33 млрд. кВтџч в 2004 г.

Задача снижения энергоемкости перевозочного процесса должна решаться комплексно — за счет совершенствования системы тягового электроснабжения и улучшения энергетических показателей тягового подвижного состава. Особенно это актуально для железных дорог, электрифицированных на переменном токе, в связи с введением норм на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) — ГОСТ 13109-97.

Наиболее важными показателями качества электроэнергии для железных дорог переменного тока в точках общего присоединения (ТОП) являются: коэффициенты несимметрии напряжения по обратной последовательности, искажения синусоидальной формы кривых напряжения и гармонических составляющих напряжения.

Как известно, введены штрафные санкции за нарушения норм по любому ПКЭ в виде надбавок к тарифу, достигающих 10 %. При нарушении норм по нескольким показателям надбавки следует суммировать. Применение таких санкций существенно влияет на экономическое состояние систем тягового электроснабжения. В случае несоблюдения установленных норм возможно применение штрафных санкций в виде надбавок до 20% от тарифа на электроэнергию, расходуемую на тягу.

На железных дорогах России, электрифицированных на переменном токе, эксплуатируются электровозы, оборудованные полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, в том числе около 15% -выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) с зонно-фазовым регулированием. Общим недостатком всех электровозов переменного тока является повышенное потребление реактивной мощности, достигающее 80% и более активной мощности, искажение формы тока в контактной сети, которые обусловливают низкие значения коэффициента мощности, не превышающие в эксплуатации 0,8.

Следствием повышенного потребления реактивной мощности является дополнительная нагрузка тяговой сети и электрооборудования электровоза реактивным током и рост технологических потерь электроэнергии в контактной сети, которые составляют около 4% расхода электроэнергии на тягу поездов. Кроме того, повышение токовой нагрузки сопровождается увеличением темпа падения напряжения в контактной сети с соответствующим снижением напряжения на токоприемнике электровоза и дальнейшим ростом тока для реализации, требуемой тяговой мощности. Так, если при коэффициенте мощности электровоза, равном 0,92, потери электроэнергии в контактной сети составляют около 2,8% расхода электроэнергии на тягу поездов, то для значений коэффициента мощности, равных 0,8 и 0,7, потери в контактной сети возрастут соответственно до 4 и 5,3%.

Кроме повышенного потребления реактивной мощности, электровозы переменного тока генерируют в систему тягового электроснабжения дополнительные гармоники тока, вызывая искажения синусоидальной формы кривых напряжения и увеличивая гармонические составляющие напряжения, что ухудшает показатели качества электроэнергии в точках общего присоединения.

Улучшение энергетических показателей системы тягового электроснабжения переменного тока достигается при помощи стационарных устройств компенсации реактивной мощности (КРМ), устанавливаемых на тяговых подстанциях. Они обеспечивают компенсацию реактивной мощности, частично симметрирование по токам обратной последовательности и фильтрацию гармоник тягового тока. При этом снижается потребление реактивной мощности только из системы внешнего энергоснабжения, а внутреннее потребление реактивной мощности и связанный с этим дополнительный расход электроэнергии в тяговой сети сохраняются.

Для устранения этого недостатка целесообразно применение бортовых устройств КРМ с размещением их непосредственно на подвижном составе. Эти устройства, состоящие из последовательно соединенных индуктивности и емкости, способны не только компенсировать реактивную мощность, но и снижать третью гармонику тока (150 Гц) и последующие, что улучшает форму тока в контактной сети.

Схема подключения регулируемого КРМ-Р
на электровозе ВЛ80р

Работы по созданию бортовых КРМ для отечественного электроподвижного состава выполнялись ВЭлНИИ и ВНИИЖТом с начала 1980-х годов. Были изготовлены и испытаны макетные образцы КРМ на электровозах и электропоездах. Испытания показали, что бортовые устройства КРМ эффективно повышают коэффициент мощности электровозов в режимах тяги и рекуперативного торможения. Так, при мощности компенсатора 520 кВАр на одну выпрямительную установку среднее значение коэффициента мощности увеличивается с 0,84 до 0,92 при номинальной нагрузке, что соответствует почти двукратному уменьшению реактивной мощности, потребляемой из тяговой сети. Однако отклонение нагрузки электровоза от номинальной приводит к уменьшению коэффициента мощности и снижает эффективность применения КРМ.

Это связано с тем, что при изменении режима работы электровоза изменяется потребляемая реактивная мощность. При постоянной же реактивной мощности устройства КРМ это приводит либо к недокомпенсации, либо к перекомпенсации реактивной мощности электровоза, что вызывает нежелательное увеличение токовой нагрузки системы электроснабжения. Поэтому для обеспечения высоких значений коэффициента мощности электровоза во всех эксплуатационных режимах необходимо применение регулируемого устройства КРМ (КРМ-Р).

Регулировать величину реактивной мощности КРМ можно изменением емкости конденсаторов либо напряжением на конденсаторах. В условиях ЭПС, когда вторичная обмотка тягового трансформатора имеет промежуточные выводы, можно осуществить ступенчатое регулирование реактивной мощности компенсатора путем подключения его к различным отпайкам тяговой обмотки.

ОЦВ совместно с ОАО «ВЭлНИИ» в 2003-2004 гг. разработало регулируемый компенсатор реактивной мощности (КРМ-Р), построенный по модульному принципу. Каждый модуль КРМ-Р состоит из батареи конденсаторов суммарной мощностью 250 кВАр при номинальном напряжении дросселя и тиристорного ключа. Дроссель совместно с конденсаторами образует контур, настроенный на частоту, близкую третьей гармонике тока. Тиристорный ключ обеспечивает безударное подключение компенсатора к соответствующей обмотке тягового трансформатора. Каждый модуль компенсатора обеспечивает две ступени реактивной мощности. В зависимости от типа электровоза и требуемой реактивной мощности модули объединяют в регулируемое устройство КРМ-Р и подключают к соответствующим выводам вторичной обмотки тягового трансформатора.

Опытный образец КРМ-Р был установлен на одной секции электровоза ВЛ80ТК №1338 в ходе капитального ремонта на ОАО «НПО «НЭВЗ». Наличие на секции электровоза двух модулей КРМ-Р обеспечивает получение четырех ступеней реактивной мощности в зависимости от схемы подключения модулей к выводам тяговой обмотки.

После проведения пуско-наладочных работ электровоз передан в депо Батайск Северо-Кавказской дороги для проведения эксплуатационного пробега в 5 тыс. км. Для сравнительной оценки энергетических показателей обе секции электровоза оборудованы специальными электронными счетчиками электрической энергии, которые позволяли фиксировать потребление активной и реактивной энергии. За время испытаний выполнено 25 поездок с поездами разного веса от 1144 до 5640 т. Общий пробег электровоза составил 5822 км.

Анализ результатов испытаний показал, что потребление реактивной энергии секцией, оборудованной КРМ, составило 70% от реактивной энергии, потребленной секцией электровоза без КРМ. При этом в отдельных поездках снижение потребления реактивной энергии достигало 40% и более. Возврат реактивной энергии в контактную сеть не превысил 1% потребленной, что указывает на отсутствие явления перекомпенсации реактивной мощности.

Снижение потребления реактивной энергии приводит к снижению токовой нагрузки тягового энергоснабжения. Усредненная за весь пробег величина тока секции электровоза с КРМ оказалась меньше на 12% по сравнению с секцией без КРМ. Уменьшение тока за счет применения КРМ-Р позволяет снизить потери в контактной сети приблизительно на 20-25%, что в зависимости от условий тягового электроснабжения сокращает на 0,8-1% расход электроэнергии на тягу поездов.

Приемочная комиссия ОАО «РЖД» рассмотрела результаты эксплуатационного пробега электровоза и рекомендовала оборудовать установочной партией КРМ-Р пять электровозов ВЛ80ТК.
 

Реальная, реактивная комплексная и полная мощность


Полная мощность — это векторная сумма реальной и реактивной мощности

Инженеры используют следующие термины для описания потока энергии в системе (и назначают каждому из них разные единицы, чтобы различать их):

  • Реальная мощность ( P ) [Единица: Вт]
  • Реактивная мощность ( Q ) [Единица: Вар]
  • Комплексная мощность ( S )
  • Полная мощность (| S |) [Единица: ВА]: i.е. абсолютное значение комплексной мощности S .

P — активная мощность, Q — реактивная мощность (в данном случае отрицательная), S — комплексная мощность, а длина S — полная мощность.

Единицей измерения всех форм мощности является ватт (обозначение: Вт) . Однако этот блок обычно зарезервирован для компонента реальной мощности. Полная мощность обычно выражается в вольт-амперах (ВА), поскольку это простое произведение среднеквадратичного напряжения и действующего тока.Блоку реактивной мощности присвоено специальное название «VAR» , что означает реактивная мощность в вольт-амперах (поскольку поток реактивной мощности не передает полезную энергию нагрузке, ее иногда называют мощностью без мощности). Обратите внимание, что не имеет смысла назначать один блок для комплексной мощности, потому что это комплексное число, и поэтому оно определяется как пара из двух блоков: Вт и VAR.

Понимание взаимосвязи между этими тремя величинами лежит в основе понимания энергетики.Математические отношения между ними могут быть представлены векторами или выражены с помощью комплексных чисел
(где j — мнимая единица).

Комплексное значение

S называется комплексной мощностью .

Рассмотрим идеальную цепь переменного тока, состоящую из источника и обобщенной нагрузки, в которой и ток, и напряжение синусоидальны. Если нагрузка является чисто резистивной, две величины меняют полярность одновременно, направление потока энергии не меняется, и течет только реальная мощность.Если нагрузка чисто реактивная, то напряжение и ток сдвинуты по фазе на 90 градусов и нет полезного потока мощности. Эта энергия, текущая вперед и назад, известна как реактивная мощность.

Если конденсатор и катушка индуктивности размещены параллельно, то токи, протекающие через катушку индуктивности и конденсатор, противоположны и имеют тенденцию компенсироваться, а не складываться. Обычно считается, что конденсаторы генерируют реактивную мощность, а катушки индуктивности — ее потребляют. Это основной механизм управления коэффициентом мощности при передаче электроэнергии; конденсаторы (или катушки индуктивности) вставляются в цепь, чтобы частично нейтрализовать реактивную мощность нагрузки.Практическая нагрузка будет иметь резистивную, индуктивную и емкостную части, поэтому в нагрузку будет поступать как реальная, так и реактивная мощность.
Полная мощность — это произведение напряжения и тока. Полная мощность удобна для определения размеров оборудования или проводки. Однако сложение полной мощности для двух нагрузок не даст точной полной полной мощности, если они не имеют одинакового смещения между током и напряжением.

Коэффициент мощности:

Коэффициент мощности измеряет эффективность системы питания переменного тока.Коэффициент мощности — это реальная мощность на единицу полной мощности. (pf = Wh / VAh) Коэффициент мощности, равный единице, является идеальным, а 99% — хорошим. Если формы сигналов являются чисто синусоидальными, коэффициент мощности представляет собой косинус фазового угла (f) между формами синусоидальных сигналов тока и напряжения. По этой причине в технических паспортах оборудования и паспортных табличках коэффициент мощности часто сокращается до «cosf».
Коэффициент мощности равен 1, когда напряжение и ток совпадают по фазе, и равен нулю, когда ток опережает или отстает от напряжения на 90 градусов.Коэффициенты мощности обычно указываются как «опережающие» или «запаздывающие», чтобы показать знак фазового угла, где опережение указывает на отрицательный знак. Для двух систем, передающих одинаковое количество реальной мощности, система с более низким коэффициентом мощности будет иметь более высокие циркулирующие токи из-за энергии, которая возвращается к источнику из накопителя энергии в нагрузке. Эти более высокие токи в практической системе приведут к более высоким потерям и уменьшат общую эффективность передачи. Схема с более низким коэффициентом мощности будет иметь более высокую кажущуюся мощность и более высокие потери при том же количестве передаваемой активной мощности.
Чисто емкостные цепи вызывают реактивную мощность, форма волны тока опережает волну напряжения на 90 градусов, в то время как чисто индуктивные цепи вызывают реактивную мощность, форма волны тока отстает от формы волны напряжения на 90 градусов. В результате емкостные и индуктивные элементы схемы имеют тенденцию компенсировать друг друга.

Поток реактивной мощности:

При передаче и распределении энергии значительные усилия прилагаются для управления потоком реактивной мощности. Обычно это делается автоматически путем включения и выключения катушек индуктивности или конденсаторных батарей, регулировки возбуждения генератора и другими способами.Розничные продавцы электроэнергии могут использовать счетчики электроэнергии, измеряющие реактивную мощность, для финансового наказания потребителей с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Это особенно актуально для клиентов, работающих с высокоиндуктивными нагрузками, такими как двигатели на водонасосных станциях.

Интеллектуальная батарея:

Выходной ток зависит от состояния батареи. Интеллектуальное зарядное устройство может контролировать напряжение, температуру и / или время зарядки аккумулятора, чтобы определить оптимальный ток заряда в этот момент.Зарядка прекращается, когда комбинация напряжения, температуры и / или времени показывает, что аккумулятор полностью заряжен.

Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов напряжение на аккумуляторе медленно увеличивается во время процесса зарядки, пока аккумулятор не будет полностью заряжен. После этого напряжение уменьшается до , что указывает интеллектуальному зарядному устройству, что аккумулятор полностью заряжен. Такие зарядные устройства часто обозначаются как зарядное устройство? V или «дельта-V», что указывает на то, что они отслеживают изменение напряжения.

Типичное интеллектуальное зарядное устройство быстро заряжает аккумулятор примерно до 85% от его максимальной емкости менее чем за час, а затем переключается на капельную зарядку, которая занимает несколько часов, чтобы полностью зарядить аккумулятор.

Вольт-ампер:

Вольт-ампер в электрическом смысле означает количество полной мощности в цепи переменного тока, равное току в один ампер при ЭДС одного вольт. Это эквивалент ватт для безреактивных цепей.
  • 10 кВ · A = мощность 10 000 Вт (где префикс SI k равен килограммам)
  • 10 МВ · A = мощность 10 000 000 Вт (где M равно мега)

В то время как вольт-ампер и ватт эквивалентны по размерам могут найти продукты, рассчитанные как в ВА, так и в ваттах с разными числами.Это обычная практика для ИБП (источников бесперебойного питания). Номинальная мощность в ВА — это кажущаяся мощность, которую ИБП способен производить, а номинальная мощность в ваттах — это реальная мощность (или истинная мощность), которую он способен производить, в отличие от реактивной мощности. Реактивная мощность возникает из-за влияния емкости и индуктивности компонентов нагрузки, питаемой от цепи переменного тока. В чисто резистивной нагрузке (например, лампы накаливания) кажущаяся мощность равна истинной мощности, а количество используемых ВА и ватт будет эквивалентным.Однако в более сложных нагрузках, таких как компьютеры (для питания которых предназначены ИБП), полная потребляемая мощность (ВА) будет больше, чем истинная потребляемая мощность (Вт). Отношение этих двух величин называется коэффициентом мощности.

Что такое активная, реактивная и полная мощность — определение и объяснение

Активная мощность

Определение: Мощность, которая фактически потребляется или используется в цепи переменного тока, называется Истинная мощность или Активная мощность или Реальная мощность .Он измеряется в киловаттах (кВт) или МВт. Это фактические результаты работы электрической системы, которая управляет электрическими цепями или нагрузкой.

Реактивная мощность

Определение: Мощность, которая течет вперед и назад, что означает, что она движется в обоих направлениях в цепи или реагирует на себя, называется Reactive Power . Реактивная мощность измеряется в киловольт-амперах, реактивная (кВАр) или мвар.

Полная мощность

Определение: Произведение среднеквадратичного значения напряжения и тока известно как Полная мощность .Эта мощность измеряется в кВА или МВА.

Было замечено, что мощность потребляется только в сопротивлении. Чистая катушка индуктивности и чистый конденсатор не потребляют никакой энергии, поскольку в течение полупериода, какая бы мощность ни принималась от источника этими компонентами, та же самая мощность возвращается к источнику. Эта мощность, которая возвращается и течет в обоих направлениях цепи, называется реактивной мощностью. Эта реактивная мощность не выполняет никакой полезной работы в цепи.

В чисто резистивной цепи ток находится в фазе с приложенным напряжением, тогда как в чисто индуктивной и емкостной цепи ток сдвинут по фазе на 90 градусов, т.е.Т.е. если в цепь подключена индуктивная нагрузка, то ток отстает от напряжения на 90 градусов, а если подключена емкостная нагрузка, то ток опережает напряжение на 90 градусов.

Следовательно, из всего вышеприведенного обсуждения можно сделать вывод, что ток , синфазный с напряжением, дает истинную или активную мощность , тогда как ток , сдвинутый по фазе на 90 градусов с напряжением, вносит вклад в реактивную мощность в цепи.

Следовательно,

  • Истинная мощность = напряжение x ток в фазе с напряжением
  • Реактивная мощность = напряжение x ток не в фазе с напряжением

Векторная диаграмма для индуктивной цепи показана ниже:

Если взять за эталон напряжение V, то ток I отстает от напряжения V на угол ϕ.Ток I делится на две составляющие:

  • I Cos ϕ в фазе с напряжением В
  • I Sin ϕ, который на 90 градусов не совпадает по фазе с напряжением V

Следовательно, следующее выражение, показанное ниже, дает активную, реактивную и полную мощность соответственно.

  • Активная мощность P = V x I cosϕ = V I cosϕ
  • Реактивная мощность P r или Q = V x I sinϕ = V I sinϕ
  • Полная мощность P a или S = ​​V x I = VI

Активная составляющая текущего

Составляющая тока, которая находится в фазе с напряжением цепи и вносит вклад в активную или истинную мощность схемы, называется активной составляющей или составляющей полной ватт или синфазной составляющей тока.

Реактивная составляющая тока

Составляющая тока, которая находится в квадратуре или на 90 градусов по фазе по отношению к напряжению схемы и вносит вклад в реактивную мощность схемы, называется реактивной составляющей тока.

Активная, реактивная и полная мощность в цепях переменного тока

Активная мощность:

Если активное сопротивление (например, нагревательный элемент) подключено к цепи переменного тока, результирующие напряжение и ток совпадают по фазе (синяя и красная кривые на схеме ниже).Умножение связанных пар мгновенных значений напряжения и тока дает мгновенную мощность (зеленая кривая).

Такая кривая мощности всегда положительна, потому что для активного сопротивления напряжение и ток всегда либо положительны, либо отрицательны. Положительная мощность передается от генератора к потребителю. Зеленые зоны отображают проделанную активную работу. Поскольку мощность имеет частоту в два раза превышающую частоту напряжения или тока, не может быть нанесено вместе с током и напряжением на нормальную векторную диаграмму.

Мощность переменного тока p ( t ) имеет пиковое значение p 0 = u 0 · i 0 и может быть преобразовано путем приравнивания площадей под кривой в эквивалентную мощность постоянного тока , или активная мощность P . Активная мощность для активного сопротивления составляет половину пиковой мощности, т.е.

Другими словами:

Активная мощность активного сопротивления является произведением среднеквадратичного напряжения и действующего тока.

Реактивная мощность:

Если чистое реактивное сопротивление, то есть емкостное или индуктивное сопротивление, подключено к цепи переменного тока, сдвиг фаз j между током и напряжением составляет 90 °, ток опережает напряжение в случае емкости и отстает от напряжения в случай индуктивности (как показано на диаграмме ниже). Кривая мощности здесь симметрична относительно оси времени, так что положительная и отрицательная (серые) области компенсируют друг друга, и в целом активная мощность не потребляется.Отрицательные значения означают, что мощность возвращается от потребителя к генератору. В течение одного периода энергия дважды возвращается от катушки (потребителя) к генератору. Общая энергия постоянно колеблется между генератором и потребителем. Это приводит к чистому потреблению реактивной мощности индуктивного или емкостного характера в зависимости от используемого компонента. Реактивная мощность обозначается Q и выражается в единицах Var .

Полная мощность:

Если нагрузка, включающая компоненты активного и реактивного сопротивления, подключена к переменному напряжению, возникают компоненты активной и реактивной мощности.Схема ниже демонстрирует это в случае индуктивной нагрузки, ток и напряжение которой сдвинуты по фазе на 60 °. Кривая мощности здесь в основном расположена выше оси времени. Серые области частично компенсируют друг друга и представляют компонент реактивной мощности, а зеленые области представляют активную мощность (или выполненную активную работу).

Умножение измеренных значений напряжения и сдвинутого по фазе тока дает полную мощность S , которая выражается в вольт-амперах (ВА):

Кажущаяся мощность — это , а не как мера преобразования электрической энергии в цепи, вместо этого она служит просто вычисляемой переменной, состоящей из активной и реактивной мощности.Соответственно, активная мощность P , показанная измерителем мощности (ваттметром) при наличии фазового сдвига между током и напряжением, всегда меньше, чем кажущаяся мощность S , рассчитанная из среднеквадратичных значений тока и напряжения.

Реальная, реактивная и полная мощность в цепях переменного тока

Привет, друзья добро пожаловать в новый пост. В этом посте мы обсуждаем реальной, реактивной и полной мощности в цепях переменного тока. В системе электроснабжения переменного тока используется три типа мощности: реактивная, активная и полная.Все эти полномочия имеют собственное влияние на систему и определяют их действие.

В этом посте мы подробно обсуждаем все параметры, связанные с этими полномочиями. Итак, приступим.

Реальная, реактивная и полная мощность в цепях переменного тока

  • Схема постоянного тока показана на рисунке ниже.

  • Мощность, подаваемая на нагрузку постоянного тока, кратна напряжению относительно нагрузки и току, протекающему в ней.

p = VI

  • В случае цепей переменного тока, имеющих синусоидальную форму волны, усложняется, поскольку существует угловая разница между переменным напряжением и переменным током, подаваемым на нагрузку.
  • Мгновенная мощность, подаваемая на нагрузку переменного тока, кратна мгновенному напряжению и току экземпляра. С этой средней мощностью, придаваемой нагрузке, через фазовый угол между напряжением и током.
  • Здесь мы обсуждаем коэффициент разности фаз при средней мощности, подаваемой на нагрузку переменного тока.
  • На рисунке ниже показан источник питания с однофазным напряжением, подающий питание на однофазную нагрузку с полным сопротивлением Z = Z∠θ Ом.
  • Если мы предположим, что нагрузка представляет собой индуктор, это привело к тому, что угол θ нагрузки был положительным, и ток отстает от напряжения на ноль градусов.
  • Напряжение, подаваемое на нагрузку, равно.

v (t) = √V cos wt

  • Здесь V обозначает действующее значение напряжения, подаваемого на нагрузку, и результирующий проходящий ток имеет значение.

i (t) = ∨2I COS (wt-θ)

  • Здесь I — действующее значение тока, протекающего в нагрузке.
  • Здесь указывается мгновенная мощность, отдаваемая нагрузке за заданное время t,

p (t) = v (t) i (t) = 2VI cos wt COS (wt — (θ)

  • Угол θ в приведенном выше уравнении — это угол импеданса лаода.
  • В случае индуктивной нагрузки угол импеданса имеет положительное значение, а токовый сигнал отстает от напряжения на угол θ.
  • После применения тригонометрии к вышеприведенному уравнению, мы имеем.

p (t) = VI cos (θ) (1 + cos 2wt) + VI sin (θ) sin 2wt —- B

  • Параметр ist в этом уравнении обозначает мощность, подаваемую на нагрузку через элемент тока, который находится в фазе с напряжением.
  • Вторая терминология обозначает мощность, передаваемую нагрузке через элемент тока, сдвинутый по фазе на 90 градусов по отношению к напряжению.
  • Элемент этого выражения изображен на рисунке ниже.
  • Мы видим, что ist-фактор уравнения мгновенной мощности имеет положительное значение и генерирует сигнал мощности вместо постоянных параметров.
  • Здесь показаны средние параметры.

p = Vl cosθ

  • Это реальная мощность, передаваемая нагрузке в соответствии с приведенным уравнением B. Единицей измерения реальной мощности является ватт и обозначается как Вт.
  • Мы можем видеть, что вторая терминология уравнения мгновенной мощности — положительная половина времени и отрицательная часть времени.в связи с этим чистая мощность равна 0.
  • Эта терминология обозначает мощность, которая передается от источника питания к нагрузке, после чего проходит через нее к источнику питания.
  • Силовые компоненты, которые перемещаются между нагрузкой и источником питания, называются реактивной мощностью и обозначаются Q.
  • Реактивная мощность означает мощность, которая сохраняется и после этого используется в магнитном поле индуктора.
  • Уравнение реактивной мощности —

Q = VIsinθ

  • В этом уравнении θ обозначает угол импеданса нагрузки.Q положительный в случае индуктивных нагрузок и отрицательный в случае емкостных нагрузок, поскольку угол импеданса положительный для индуктивных нагрузок и имеет отрицательные значения для емкостных нагрузок
  • Единицы измерения реактивной мощности — вольт-амперы. размерные единицы имеют аналогичное значение для ватт и реактивной мощности.
  • Полная мощность S, подаваемая на нагрузку, объясняется множеством напряжений относительно нагрузки и тока в нагрузке
  • Это мощность, которая выглядит нормально, если разность фазового угла между напряжением и током уменьшается.
  • Здесь указана полная мощность нагрузки.

Другие типы силовых уравнений

  • Если импеданс является постоянным значением, закон сопротивления будет использоваться для выполнения других уравнений для реальной полной и реактивной мощности, передаваемой нагрузке.
  • Как здесь упоминается величина напряжения около нагрузки.
  • В = ИЗ
  • , используя это уравнение в приведенном выше выражении, мы имеем.

Что такое комплексная мощность

  • Для облегчения понимания, реальные реактивные мощности обозначаются в комплексной мощности, обозначенной как S.
  • с = P + jQ
  • Здесь приводится уравнение комплексной мощности.
  • S = VI *

Взаимосвязь между углом импеданса, углом тока и мощностью

  • В соответствии с простой схемной схемой, индуктивная нагрузка предлагает положительное значение угла импеданса

  • Реактивность катушки индуктивности положительна, если угол импеданса нагрузки имеет положительное значение, фазовый угол тока, проходящего в нагрузке, отстает от фазового угла напряжения относительно нагрузки на θ

Что такое угол поворота

  • Реальная реактивная и полная мощность, передаваемая нагрузке, соответствует треугольнику мощности.
  • Здесь можно увидеть треугольник власти.

  • Угол в левой нижней части — это угол импеданса. Соседняя часть треугольника — это активная мощность, подаваемая на нагрузку, противоположная часть треугольника — это реактивная мощность Q, подаваемая на нагрузку, а гипотенуза этого треугольника показывает полную мощность S нагрузки.
  • Термин cos θ обычно называют коэффициентом мощности. Коэффициент мощности объясняется как доля полной мощности S, которая отводится на нагрузку с реальной мощностью.
  • PF = cos θ
  • Здесь θ обозначает угол полного сопротивления

Это подробный пост о реальной, реактивной и кажущейся мощности в цепях переменного тока, если у вас есть какие-либо вопросы, спрашивайте в комментариях. Увидимся в следующем посте.

Автор: Генри
http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром.Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

Простое объяснение реактивной мощности

Реактивная мощность — это когда поток тока, вызванный напряжением переменного тока, приложенным к устройству, приводит к тому, что поток тока идет впереди или позади приложенного напряжения переменного тока.

Реактивные устройства будут накапливать некоторую энергию при подаче напряжения, и они вернут эту энергию позже в синусоиде… Подумайте о пружине … Вы вкладываете энергию в пружину, а затем, когда вы уменьшаете или убираете силу, такую ​​как напряжение, пружина будет возвращаться назад, возвращая вложенную в нее энергию … Энергия не поглощается, реактивные нагрузки вернуть вложенную энергию потом позже.

Если вы заряжаете конденсатор напряжением постоянного тока, то после отключения подключения напряжения постоянного тока вы помещаете лампу на этот конденсатор, он кратковременно загорается, поскольку возвращает накопленную энергию.

Точно так же, если вы подключаете напряжение к индуктору, например к двигателю, а затем уменьшаете или снимаете напряжение, индуктор будет отбрасываться энергией, поскольку его магнитное поле схлопывается.

Итак, «Реактивная мощность» — это средство объяснения того, как ток, наблюдаемый в реактивной нагрузке, ведет себя по отношению к приложенному напряжению переменного тока … Дальнейшее понимание становится более сложным и может быть объяснено лучше, если ответить на более конкретные и прямые вопросы.

«РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ» … Давайте проясним одно распространенное заблуждение, что поставщик генераторов и электросетей не поставляет вам реактивную мощность … Мощность — это напряжение и ток.

Энергетическая компания поставляет вам напряжение переменного тока.
Что делать с этим напряжением, зависит от вас и вашего оборудования.
Если вы подключите к этому напряжению небольшой резистор (с высоким сопротивлением), вы получите небольшой ток.
Если вы подключите к этому напряжению большой резистор (с низким сопротивлением), вы получите больший ток.

Точно так же ваше оборудование контролирует ток, а не поставщик … Если ваше оборудование чисто резистивное, тогда ток будет в фазе с приложенным напряжением … Но если вы подключите индуктивную нагрузку, такую ​​как двигатель, Текущий цикл будет отставать от приложенного напряжения … Это означает, что форма волны тока переменного тока будет расти позже, чем повышение напряжения, шины, поэтому она также будет падать позже, чем повышение напряжения.Это означает, что определенное количество мощности будет поглощено реактивной частью вашей нагрузки, но затем эта мощность будет возвращена позже в цикле … Таким образом, в среднем, реактивная мощность не потребляется … Она поглощается, как при сжатии. пружина во время части цикла и возвращается в систему позже в другой части цикла, как пружина, отталкивающая назад.

В двигателях реактивная часть мощности создает магнитное поле, которое затем схлопывается и преобразовывается в противоположном направлении, когда приложенное напряжение переменного тока проходит свой цикл… Именно это магнитное поле обеспечивает механическую силу между двумя различными частями, в результате чего двигатель вращается … Потребляется только реальная мощность, как в двигателе, выполняющем механическую работу … Некоторая реальная мощность теряется в виде тепла в различные виды неэффективности как потери.

Полная мощность, истинная мощность, реактивная мощность и общая мощность

Полная мощность

Полная мощность (S) — это мощность, передаваемая в электрическую цепь.

Уравнение ниже представляет собой математическое представление полной мощности.

Полная мощность измеряется в вольтамперах (ВА).

S = I 2 Z = I T E

где

S = полная мощность (ВА)
I = действующий ток (A)
E = действующее значение напряжения (В)
Z = полное сопротивление (Ом)

Истинная сила

Истинная мощность (P) — это мощность, потребляемая резистивными нагрузками в электрической цепи.

Уравнение ниже представляет собой математическое представление истинной мощности.

Истинная мощность измеряется в ваттах.

P = I 2 R = EI cosθ

где

P = истинная мощность (Вт)
I = действующий ток (A).
E = действующее значение напряжения (В)
R = сопротивление (Ом)
θ = угол между синусоидальными волнами E и I

Реактивная мощность

Реактивная мощность (Q) — это мощность, потребляемая в цепи переменного тока из-за расширения и разрушения магнитных (индуктивных) и электростатических (емкостных) полей.

Реактивная мощность выражается в реактивных вольт-амперах (ВАР).

Уравнение ниже представляет собой математическое представление реактивной мощности.

Q = I 2 X = EI sinθ

где

Q = реактивная мощность (ВАР)
I = действующий ток (А)
X = чистое реактивное сопротивление (Ом)
E = действующее значение напряжения (В)
θ = угол между синусоидальными волнами E и I

В отличие от реальной мощности, реактивная мощность не является полезной мощностью, потому что она хранится в самой цепи. Эта энергия накапливается индукторами, потому что они расширяют и сжимают свои магнитные поля, пытаясь поддерживать постоянный ток, и конденсаторами, потому что они заряжаются и разряжаются, пытаясь поддерживать постоянное напряжение.Индуктивность и емкость цепи потребляют и отдают реактивную мощность.

Реактивная мощность зависит от силы тока системы. Мощность, подводимая к индуктивности, сохраняется в магнитном поле, когда поле расширяется, и возвращается к источнику, когда поле схлопывается. Мощность, подаваемая на емкость, накапливается в электростатическом поле, когда конденсатор заряжается, и возвращается к источнику, когда конденсатор разряжается.

Никакая мощность, подаваемая в цепь источником, не потребляется.Все возвращается в источник. Таким образом, истинная мощность, которая представляет собой потребляемую мощность, равна нулю. Мы знаем, что переменный ток постоянно меняется; таким образом, цикл расширения и схлопывания магнитного и электростатического полей происходит постоянно.

Общая мощность

Полная мощность, отдаваемая источником, является полной мощностью. Часть этой кажущейся мощности, называемой истинной мощностью, рассеивается сопротивлением цепи в виде тепла. Остальная полная мощность возвращается источнику индуктивностью и емкостью цепи.

Что такое реактивная мощность и почему она имеет значение?

читать | Делиться:

Реактивная мощность имеет решающее значение для поддержания уровней напряжения в системе передачи.

Но что именно?

Используя аналогию с муниципальной системой водоснабжения, подумайте о напряжении как об эквиваленте «давления» водяной системы — без него вода просто сидит в трубах, а при слишком большом количестве трубы взрываются.Поэтому очень важно, чтобы давление воды было постоянным и постоянным.

Напряжение играет аналогичную роль в электрической системе в обеспечении стабильности потоков мощности. Однако последствия несоблюдения напряжения в электрической системе гораздо более ужасны, поскольку падение напряжения может серьезно повредить генерирующее, передающее и распределительное оборудование и привести к широко распространенным каскадным отключениям.

Реактивная мощность генерируется или поглощается электрическими генераторами (или, в некоторых случаях, устройствами, известными как «конденсаторы») для поддержания постоянного уровня напряжения, обычно называемого «поддержкой напряжения».«Генераторы, обеспечивающие поддержание напряжения, часто страдают от тепловых потерь, что приводит к снижению способности вырабатывать« реальную »мощность. Мы все больше знакомы с реальной мощностью: она зажигает лампочки, вращает моторы и заряжает айфоны. Важно отметить, что реальная мощность — это то, что компенсируется на оптовых рынках электроэнергии RTO. Таким образом, когда системные операторы приказывают генераторам генерировать или поглощать реактивную мощность для поддержания напряжения, они жертвуют своей способностью генерировать реальную мощность и получать рыночные доходы RTO. Рассчитанная маржа на эти упущенные рыночные доходы выплачивается производителям, обеспечивающим поддержку напряжением, посредством внебиржевых платежей.

Основная проблема использования реактивной мощности для управления напряжением заключается в том, что реактивная мощность не распространяется до реальной мощности в электрической системе. Во многих случаях самые дешевые источники реальной мощности расположены удаленно от центров нагрузки, и системные операторы должны контролировать уровни напряжения в центрах нагрузки, чтобы гарантировать поддержание постоянного уровня напряжения. Если уровни напряжения становятся слишком высокими или слишком низкими, генераторы в центре нагрузки работают для стабилизации уровней напряжения, генерируя или потребляя реактивную мощность.

Проблема реактивной мощности вышла на первый план на территории PJM Interconnection. Поскольку зона обслуживания PJM расширилась, а использование более дешевой удаленной генерации для обслуживания центров нагрузки стало более распространенным явлением, PJM расширила свои возможности мониторинга напряжения за счет внедрения интерфейсов передачи. Такие интерфейсы измеряют потоки мощности по выбранным высоковольтным линиям электропередачи в удаленные центры нагрузки, чтобы указать, когда необходима дополнительная локальная генерация (в центре нагрузки) для поддержания уровней напряжения.

Еще несколько лет назад способность генерировать реактивную мощность в PJM в основном воспринималась как должное. Поддержка напряжения обычно обеспечивалась унаследованными станциями, генерирующими базовую нагрузку, которые уже давно оплатили капитальные затраты на оборудование, необходимое для предоставления этой услуги, либо с помощью исторической регулируемой базы тарифов, либо с помощью тарифных положений PJM, которые позволяют возмещать такие затраты.

Две тенденции изменили статус-кво. Во-первых, поскольку цены на природный газ снизились, генерирующие мощности базовой нагрузки, которые исторически обеспечивали поддержание напряжения (т.е. угольные станции) уже не работают так стабильно или экономично. В некоторых случаях они запускались и работали без потерь, чтобы обеспечить реактивную мощность. Во-вторых, из-за экономических факторов и приближающихся экологических норм, многие из тех же генерирующих объектов базовой нагрузки теперь потребовали вывода из эксплуатации. Эти тенденции привели к существенным выплатам вне рынка этих генераторов базовой нагрузки, поскольку они были отправлены исключительно для обеспечения поддержки напряжением. В некоторых случаях контракты по обеспечению надежности использовались для поддержания работоспособности генерирующих мощностей в целях обеспечения реактивной мощности, включая некоторые угольные блоки в Пенсильвании.

Итак, что все это значит для наших клиентов в будущем?

По мере накопления внебиржевых платежей за поддержку напряжения и запросов на вывод из эксплуатации, PJM провела модернизацию системы передачи для смягчения основных проблем с напряжением, расходы на которые несут налогоплательщики. Ожидается, что разработка таких обновлений будет продолжена.

PJM сейчас начинает обсуждения по моделированию потребности в реактивной мощности на своих рынках на сутки вперед и в реальном времени, что означает, что рыночные цены могут начать отражать реактивную мощность.Кроме того, с увеличением количества распределенных ресурсов все большее внимание уделяется обеспечению наличия адекватной реактивной способности, особенно учитывая, что высокая степень проникновения солнечной энергии требует большей реактивной мощности. Это может привести к необходимости возмещения капитальных затрат через рынки или тарифные планы PJM. Поскольку FERC фокусируется на ценообразовании — что в некотором смысле является кодом для поиска дополнительных доходов для производителей в эпоху низких цен на природный газ — существует вероятность того, что реактивная мощность станет более явным продуктом, требующим дополнительной компенсации.

Следите за новостями в бизнес-блоге Direct Energy, чтобы узнать о дальнейших политических и нормативных изменениях. Прочтите о том, как законопроект № 380 Сената Калифорнии может потенциально повлиять на цены на природный газ в Южной Калифорнии.

Размещено: 23 мая 2016 г.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.