Реактивная мощность – это величина, характеризующая нагрузки создаваемые различными колебаниями электромагнитных полей, которые встречаются цепях с конденсаторами и индуктивностями. А по своей сути это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю (нагрузке), а затем возвращается обратно этими реактивными компонентами в течении одного полупериода.
Существуют потребители электрической энергии, которые создают чисто активную нагрузку. К ним можно отнести различные нагревательные элементы, тэны, лампы накаливания и т.п. Эти потребители не способны генерировать значительных электромагнитных полей. А вот другие потребители способны генерировать реактивную нагрузку. Т.е создавать сильные электромагнитные поля. Основными представителями этой группы можно считать устройства имеющие в своих питающих цепях конденсаторы и катушки индуктивность. Как мы уже знаем, и по разному оказывают влияние на величину реактивной мощности появляющейся в электрической цепи.
Так если приложить к катушки индуктивности ток и напряжение с нулевым сдвигом по фазе, то на выходе схемы увидим отставание тока от напряжения. А вот если подать тоже самое на конденсатор, то на выходе получим опережение током напряжения. Для понимания процесса смотри рисунок, где схематически показано опережение током напряжения при емкостном характере нагрузки.
Такие свойства реактивных нагрузок используют для регулировки уровня напряжения в сети методом компенсации большой индуктивности емкостными нагрузками, и наоборот больших емкостей - индуктивностью.
реактивная мощность вычисляется по следующим формулам:
Где, x - , I и U - ток и напряжение протекающие в цепи, sinφ - коэффициент реактивной мощности
Единицей измерения реактивной мощности по СИ, является вольт ампер реактивный – ВАр
Природу потерь в электрических цепях с реактивными компонентами можно увидеть по графикам на рисунках ниже:
.
При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между током и напряжением будет 90°. В начальный момент времени, когда уровень напряжение максимален – ток будет стремиться нулю, поэтому, мгновенное значение мощности UI в это время будет нулевым. В течении первой ¼ периода, мощность можно визуализировать на графике, как произведение UI (тока и напряжения), которое станет нулевым при максимуме тока и нулевом значении напряжения.
В следующую ¼ периода, UI будет лежать в отрицательной области координат, поэтому, мощность будет уходить обратно в источник питания. То же самое случится и в отрицательном токовом полупериоде. В результате средняя (активная) потребляемая мощность P avg за период будет нулевой.
В этом случае реактивная мощность, в соответствии с формулой выше стремится к нулю. Потребляемая мощность равна произведению тока и напряжения, Полная мощность будет равна только активной мощности. Коэффициент мощности будет равен единице (P/S = 1 ).
Рассмотрим случай равенства реактивного и активного сопротивлений в нагрузке , т.е сдвиг фаз между током и напряжением на 45°.
В этом случае: Q = U×I×sin45° = 0.71×U×I . Коэффициент мощности = 0.71
Как вы наверное заметили, реактивная мощность оказывает обычно отрицательное воздействие, в связи с чем, необходима ее компенсация.
Реактивная мощность и энергия, реактивный ток, компенсация реактивной мощностиРеактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы , то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках, увеличивается падение напряжения в сетях.
Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи , что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.
Компенсация реактивной мощности , в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.
По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности . Компенсация реактивной мощности – вот ключ к решению вопроса энергосбережения.
Потребители реактивной мощности
Основные потребители реактивной мощности - , которые потребляют 40 % всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами; электрические печи 8 %; преобразователи 10 %; трансформаторы всех ступеней трансформации 35 %; линии электропередач 7 %.
В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а уменьшается при малой нагрузке. Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40
.
Малонагруженные трансформаторы также имеют низкий (косинус фи). Поэтому, применять компенсацию реактивной мощности, то результирующий косинус фи энергетической системы будет низок и ток нагрузки электрической, без компенсации реактивной мощности, будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от косинус фи на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.
Кроме этого, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии
, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.
Структура потребителей реактивной мощности в сетях энергосистем (по установленной активной мощности):
Прочие преобразователи: переменного тока в постоянный, тока промышленной частоты в ток повышенной или пониженной частоты, печная нагрузка (индукционные печи, дуговые сталеплавильные печи), сварка (сварочные трансформаторы, агрегаты, выпрямители, точечная, контактная).
Суммарные абсолютные и относительные потери реактивной мощности в элементах питающей сети весьма велики и достигают 50% мощности, поступающей в сеть. Примерно 70 - 75% всех потерь реактивной мощности составляют потери в трансформаторах.
Так, в трехобмоточном трансформаторе ТДТН-40000/220 при коэффициенте загрузки, равном 0,8, потери реактивной мощности составляют около 12%. На пути от электростанции происходит самое меньшее три трансформации напряжения, и поэтому потери реактивной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах достигают больших значений.
Способы снижения потребления реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности
Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности
(конденсаторных установок)
.
Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:
- разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;
- снизить расходы на оплату электроэнергии
- при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник;
- подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
- сделать распределительные сети более надежными и экономичными.
Специфика сети переменного тока приводит к тому, что в фиксированный момент времени синусоиды напряжения и тока на приемнике совпадают только в случае так называемой активной нагрузки, полностью переводящей ток в тепло или механическую работу. Практически это всевозможные электронагревательные приборы, лампы накаливания, в каком-то приближении электродвигатели и электромагниты под нагрузкой и звуковоспроизводящая аппаратура. Ситуация полностью меняется, если нагрузка, не создающая механической работы, обладает большой индуктивностью при малом сопротивлении. Это характерный случай электродвигателя или трансформатора на холостом ходу.
Подключение подобного потребителя к источнику постоянного тока привело бы к , здесь же ничего особенного с сетью не случится, но мгновенный ток будет отставать от мгновенного напряжения примерно на четверть периода. В случае же чисто емкостной нагрузки (если в розетку вставить конденсатор), ток на нем будет, наоборот, на ту же четверть периода опережать напряжение.
Реактивные токи
Практически такое несовпадение тока и напряжения, не производя на приемнике полезной работы, создает в проводах дополнительные, или, как принято их называть, реактивные токи, которые в особо неблагоприятных случаях могут привести к разрушительным последствиям. При меньшей величине это явление все равно требует расходовать излишний металл на более толстую проводку, повышать мощность питающих генераторов и трансформаторов электроэнергии. Поэтому экономически оправдано устранять в сети реактивную мощность всеми возможными способами. При этом следует учитывать суммарную реактивную мощность всей сети, при том, что отдельные элементы могут обладать значительными значениями реактивной мощности.
Реактивная электроэнергия
С количественной стороны влияние реактивной электроэнергии на работу сети оценивается 
косинусом угла потерь, который равен отношению активной мощности к полной. Полная мощность считается как векторная величина, которая зависит от сдвига фаз между током и напряжением на всех элементах сети. В отличие от активной мощности, которую, как и механическую измеряют в ваттах, полную мощность измеряют в вольт-амперах, так как эта величина присутствует только в электрической цепи. Таким образом, чем ближе косинус угла потерь к единице, тем полнее используется и мощность, вырабатываемая генератором.
Основные пути снижения реактивной мощности - взаимная компенсация сдвигов фаз, создаваемых индуктивными и емкостными приемниками и использование приемников с малым углом потерь.
Главная цель при передаче электроэнергии – повышение эффективности работы сетей. Следовательно, необходимо уменьшение потерь. Основной причиной потерь является реактивная мощность, компенсация которой значительно повышает качество электроэнергии.
Реактивная мощность вызывает ненужный нагрев проводов, перегружаются электроподстанции. Трансформаторная мощность и кабельные сечения вынужденно подвергаются завышениям, сетевое напряжение снижается.
Понятие о реактивной мощности
Для выяснения, что же такое реактивная мощность, надо определить другие возможные виды мощности. При существовании в контуре активной нагрузки (резистора) происходит потребление исключительно активной мощности, полностью расходуемой на энергопреобразование. Значит, можно сформулировать, что такое активная мощность, – та, при которой ток совершает эффективную работу.
На постоянном токе происходит потребление исключительно активной мощности, рассчитываемой соответственно формуле:
Измеряется в ваттах (Вт).
В электроцепях с переменным током при наличии активной и реактивной нагрузки мощностной показатель суммируется из двух составных частей: активной и реактивной мощности.
- Емкостная (конденсаторы). Характеризуется фазовым опережением тока по сравнению с напряжением;
- Индуктивная (катушки). Характеризуется фазовым отставанием тока по отношению к напряжению.
Если рассмотреть контур с переменным током и подсоединенной активной нагрузкой (обогреватели, чайники, лампочки с накаливающейся спиралью), ток и напряжение будут синфазными, а полная мощность, взятая в определенную временную отсечку, вычисляется путем перемножения показателей напряжения и тока.
Однако когда схема содержит реактивные компоненты, показатели напряжения и тока не будут синфазными, а будут различаться на определенную величину, определяемую углом сдвига «φ». Пользуясь простым языком, говорится, что реактивная нагрузка возвращает столько энергии в электроцепь, сколько потребляет. В результате получится, что для активной мощности потребления показатель будет нулевой. Одновременно по цепи протекает реактивный ток, не выполняющий никакую эффективную работу. Следовательно, потребляется реактивная мощность.
Реактивная мощность – часть энергии, которая позволяет устанавливать электромагнитные поля, требуемые оборудованием переменного тока.
Расчет реактивной мощности ведется по формуле:
Q = U x I x sin φ.
В качестве единицы измерения реактивной мощности служит ВАр (вольтампер реактивный).
Выражение для активной мощности:
P = U x I x cos φ.
Взаимосвязь активной, реактивной и полной мощности для синусоидального тока переменных значений представляется геометрически тремя сторонами прямоугольного треугольника, называемого треугольником мощностей. Электроцепи переменного тока потребляют две разновидности энергии: активную мощность и реактивную. Кроме того, значение активной мощности никогда не является отрицательным, тогда как для реактивной энергии возможна либо положительная величина (при индуктивной нагрузке), либо отрицательная (при емкостной нагрузке).
Важно! Из треугольника мощностей видно, что всегда полезно снизить реактивную составляющую, чтобы повысить эффективность системы.
Полная мощность не находится как алгебраическая сумма активного и реактивного мощностного значения, это векторная сумма P и Q. Ее количественное значение вычисляется извлечением квадратного корня из суммы квадратов мощностных показателей: активного и реактивного. Измеряться полная мощность может в ВА (вольтампер) или производных от него: кВА, мВА.
Чтобы была рассчитана полная мощность, необходимо знать разность фаз между синусоидальными значениям U и I.
Коэффициент мощности
Пользуясь геометрически представленной векторной картиной, можно найти отношение сторон треугольника, соответствующих полезной и полной мощности, что будет равно косинусу фи или мощностному коэффициенту:
Данный коэффициент находит эффективность работы сети.
Количество потребляемых ватт – то же самое, что и количество потребляемых вольтампер при мощностном коэффициенте, равном 1 или 100%.
Важно! Полная мощность тем ближе к показателю активной, чем больше cos φ, или чем меньше угол сдвига синусоидальных величин тока и напряжения.
Если, к примеру, имеется катушка, для которой:
- Р = 80 Вт;
- Q = 130 ВАр;
- тогда S = 152,6 BA как среднеквадратичный показатель;
- cos φ = P/S = 0,52 или 52%
Можно сказать, что катушка требует 130 ВАр полной мощности для выполнения полезной работы 80 Вт.
Коррекция cos φ
Для коррекции cos φ применяется тот факт, что при емкостной и индуктивной нагрузке вектора реактивной энергии располагаются в противофазе. Так как большинство нагрузок является индуктивными, подключив емкость, можно добиться увеличения cos φ.
Главные потребители реактивной энергии:
- Трансформаторы. Представляют собой обмотки, имеющие индуктивную связь и посредством магнитных полей преобразуюшие токи и напряжения. Эти аппараты являются основным элементом электросетей, передающих электроэнергию. Особенно увеличиваются потери при работе на холостом ходу и при низкой нагрузке. Широко используются трансформаторы в производстве и в быту;
- Индукционные печи, в которых расплавляются металлы путем создания в них вихревых токов;
- Асинхронные двигатели. Крупнейший потребитель реактивной энергии. Вращающий момент в них создается посредством переменного магнитного поля статора;
- Преобразователи электроэнергии, такие как силовые выпрямители, используемые для питания контактной сети железнодорожного транспорта и другие.
Конденсаторные батареи подсоединяются на электроподстанциях для того, чтобы контролировать напряжение в пределах установленных уровней. Нагрузка меняется в течение дня с утренними и вечерними пиками, а также на протяжении недели, снижаясь в выходные, что изменяет показатели напряжения. Подключением и отключением конденсаторов варьируется его уровень. Это делается от руки и с помощью автоматики.
Как и где измеряют cos φ
Реактивная мощность проверяется по изменению cos φ специальным прибором – фазометром. Его шкала проградуирована в количественных значениях cos φ от нуля до единицы в индуктивном и емкостном секторе. Полностью скомпенсировать негативное влияние индуктивности не удастся, но возможно приближение к желаемому показателю – 0,95 в индуктивной зоне.
Фазометры применяются при работе с установками, способными повлиять на режим работы электросети через регулирование cos φ.
- Так как при финансовых расчетах за потребленную энергию учитывается и ее реактивная составляющая, то на производствах устанавливаются автоматические компенсаторы на конденсаторах, емкость которых может меняться. В сетях, как правило, используются статические конденсаторы;
- При регулировании cos φ у синхронных генераторов путем изменения возбуждающего тока необходимо его отслеживать визуально в ручных рабочих режимах;
- Синхронные компенсаторы, представляющие собой синхронные двигатели, работающие без нагрузки, в режиме перевозбуждения выдают в сеть энергию, которая компенсирует индуктивную составляющую. Для регулирования возбуждающего тока наблюдают за показаниями cos φ по фазометру.
Коррекция коэффициента мощности – одна из эффективнейших инвестиций для сокращения затрат на электроэнергию. Одновременно улучшается качество получаемой энергии.
Видео
В настоящее время взаимоотношения энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии рассматриваются широким кругом лиц неэнергетического образования (коммерческие менеджеры, юристы и другие специалисты). Использование понятия реактивная мощность (реактивная энергия) в практике денежных расчетов между поставщиками и потребителями электроэнергии и наличие отдельных счетчиков активной и реактивной энергии вызывает у многих представление о поставке потребителям двух видов продукции. Это не так. По электрической сети не передаются электроны разного цвета - красные активной энергии и голубые реактивной. Так что же такое реактивная мощность и реактивная энергия?
Рассмотрим в самом простом виде свойства переменного тока. Переменный ток называют так не в том смысле, что его значение изменяется в процессе потребления энергии. Оно может оставаться и постоянным. Под переменным током в узком смысле понимают периодический ток, мгновенные значения которого в течение каждого небольшого периода (для переменного тока частоты 50 Гц это 1/50 доля секунды) проходят цикл изменения от минимального до максимального значения, и наоборот. Графически этот цикл отображается синусоидой. Переменным в этом смысле является и напряжение. В целом же для цепей, в которых и напряжение, и ток циклически изменяются, используется термин «цепи переменного тока».
В цепях переменного тока существует много элементов, которые разделены воздушными промежутками - обмотки высокого и низкого напряжения трансформаторов или статор и ротор вращающейся машины (двигателя и генератора) не имеют электрической связи между собой. Тем не менее электрическая энергия передается через это воздушное пространство, являющееся фактически непроводящим ток диэлектриком. Это происходит в связи с возникновением под действием переменного тока переменного магнитного поля в индуктивности, а под действием переменного напряжения - переменного электрического поля в емкости (в комбинации — электромагнитного поля). Полям, как известно, воздух не преграда. Переменное магнитное поле, образуемое одной из разделенных обмоток, постоянно пересекает своими магнитными линиями витки другой обмотки, наводя в ней электродвижущую силу. Ее величина такова, что вся мощность первичной обмотки переходит на вторичную обмотку. В конденсаторе те же самые функции осуществляет электрическое поле.
Магнитное и электрическое поля существуют вокруг любого проводника, который находится под напряжением и по которому идет ток. Теоретически можно передать мощность по воздуху с одной из параллельно проложенных линий на другую. Правда, чтобы передать существенную мощность, линии должны быть длиной в сотни тысяч километров. Для переброски через воздушные промежутки большой мощности в устройстве приемлемого размера нужно сильное магнитное поле, сконцентрированное в небольшом пространстве. Это достигается обматыванием вокруг металлического сердечника (ярма) многочисленных витков, расположенных близко друг к другу, и применением для изготовления сердечников специальной стали, обеспечивающей большую взаимоиндукцию.
Электромагнитная энергия непосредственно преобразуется в тепловую, механическую, химическую и другие виды полезной работы в элементах, обладающих активным сопротивлением, обозначаемым R. В элементах, представляющих собой индуктивность L и емкость С, электромагнитная энергия на половине периода запасается, а на второй половине периода возвращается в источник. При этом синусоида тока, создающего магнитное поле, всегда на четверть периода (90 эл. градусов) отстает от синусоиды напряжения, а синусоида тока, создающего электрическое поле, опережает.
Сопротивления таких элементов связаны с индуктивностью и емкостью и частотой f соотношениями: X L = 2πfL и X С = 1/2πfС. Из этих соотношений видно, что эти сопротивления существуют только в цепях переменного тока, а в цепях постоянного тока (f = 0) X L превращается в 0 (короткое замыкание), а X С — в бесконечность (разрыв цепи). В связи с возвратным характером их действия эти сопротивления называют реактивными, а ток, обусловленный обменной электромагнитной энергией, — реактивным током. Так как реактивный ток сдвинут относительно активного на 90°, то естественно, что полный ток определяется как корень квадратный из суммы квадратов активного и реактивного тока.
Прохождение через сеть «сдвинутого» тока можно сравнить с продвижением людей через проход, пропускная способность которого составляет, например, 10 человек одновременно. При этом в восьми рядах люди все время идут в одном направлении, а в двух рядах одни и те же люди то идут, то возвращаются. В результате число людей, перешедших на другую сторону, следует считать исходя из пропускной способности восемь человек, а проход все время загружен десятью рядами. Аналогична ситуация и с пропускной способностью электрической сети. Разница лишь в том, что активная и реактивная составляющие тока складываются не арифметически, а в квадрате, поэтому реактивная составляющая в меньшей степени занимает сечение. Для полноты сравнения можно считать, что два ряда людей ходят боком и потому занимают меньше места.
Полупериоды запасания и возврата электромагнитной энергии индуктивностью и емкостью сдвинуты на 180° (у первой ток сдвинут на -90°, а у второй на +90°), то есть они находятся в противофазе. Поэтому при наличии рядом сопротивлений X L = X С обменная часть электромагнитной энергии не возвращается в источник, а эти элементы постоянно обмениваются ею между собой. Уже должна возникнуть мысль, а не поставить ли у потребителя электроэнергии, в сетях которого полно индуктивностей, емкость? И пусть они обмениваются между собой этой частью электромагнитной энергии, разгрузив от нее сеть и предоставив ей возможность передавать только ту часть электромагнитной энергии, которая преобразуется в полезную работу? Эта операция и называется компенсацией реактивной мощности (КРМ).
Реактивная энергия не выполняет никакой работы в том смысле, что она не может, как активная энергия, превращаться в тепловую или механическую энергию. Так как в физике понятия энергии и работы тождественны, то, строго говоря, словосочетание «реактивная энергия» физически бессмысленно. Тем не менее, применение на практике этого условного понятия удобно. Раз уж возникает дополнительный ток, названный реактивным, то его произведение на напряжение вроде бы по-другому как мощностью не назовешь, а интегрирование мощности по времени формально называется энергией. Более того, сдвинув на 90° обмотку электрического счетчика, можно заставить его считать произведение на напряжение только тока, сдвинутого на 90°, - появляется наглядное подтверждение существования реактивной энергии (счетчик ведь показывает!).
Реактивный ток не только отнимает у активного тока часть пропускной способности сети, но и на его прохождение по проводам затрачивается определенная часть активной энергии , так как потери мощности ΔР = 3I²R, где I - полный ток. Счетчик активной энергии (по большому счету только ее и можно назвать энергией, поэтому он называется просто счетчик электроэнергии) покажет одно и то же значение и при наличии, и при отсутствии реактивной составляющей тока. Поэтому только по его показаниям нельзя правильно оценить режимы линий передачи электроэнергии (в приведенном выше примере счетчик будет показывать движение восьми рядов, полностью игнорируя два двигающихся туда и обратно). Для оценки же режима сети необходимо знать обе составляющие. Активная и реактивная составляющие полного тока по-разному влияют на напряжение в точках потребления энергии. Потери напряжения от передачи активной составляющей тока в подавляющей степени определяются сопротивлением R, а реактивной — сопротивлением X L . В элементах линий электропередачи обычно X L >> R, поэтому прохождение по сети реактивного тока приводит к гораздо большему снижению напряжения, чем активного тока той же величины.
Итак, в сети переменного тока нет ничего, кроме циклически изменяющихся мгновенных значений тока и напряжения, циклы которых сдвинуты относительно друг друга на некоторую часть периода. При графическом изображении их в виде векторов говорят, что они сдвинуты на некоторый угол φ. Поэтому анекдотический ответ студента на экзамене, что три провода нужны потому, что по первому передается напряжение, по второму ток, а по третьему cos φ, можно считать более близким к истине, чем представление о поставке потребителям двух видов продукции.