Активная и реактивная электроэнергия
При расчете электрической мощности, потребляемой любым электротехническим или бытовым устройством, обычно учитывается так называемая полная мощность электрического тока, выполняющего определённую работу в цепи данной нагрузки. Под понятием «полная мощность» подразумевается вся та мощность, которая потребляется электроприбором и включает в себя как активную составляющую, так и составляющую реактивную, которая в свою очередь определяется типом используемой в цепи нагрузки. Активная мощность всегда измеряется и указывается в ваттах (Вт), а полная мощность приводится обычно в вольт-амперах (ВА). Различные приборы — потребители электрической энергии могут работать в цепях, имеющих как активную, так и реактивную составляющую электрического тока.
Активная составляющая потребляемой любой нагрузкой мощности электрического тока совершает полезную работу и трансформируется в нужные нам виды энергии (тепловую, световую, звуковую и т.
п.). Отдельные электроприборы работают в основном на этой составляющей мощности. Это — лампы накаливания, электроплиты, обогреватели, электропечи, утюги и т.п.
При указанном в паспорте прибора значении активной потребляемой мощности в 1 кВт он будет потреблять от сети полную мощность в 1кВА.
Реактивная составляющая электрического тока возникает только в цепях, содержащих реактивные элементы (индуктивности и ёмкости) и расходуется обычно на бесполезный нагрев проводников, из которых составлена эта цепь. Примером таких реактивных нагрузок являются электродвигатели различного типа, переносные электроинструменты (электродрели, «болгарки», штроборезы и т.п.), а также различная бытовая электронная техника. Полная мощность этих приборов, измеряемая в вольт-амперах, и активная мощность (в ваттах) соотносятся между собой через коэффициент мощности cosφ, который может принимать значение от 0,5 до 0,9. На этих приборах указывается обычно активная мощность в ваттах и значение коэффициента cosφ.
Для определения полной потребляемой мощности в ВА, необходимо величину активной мощности (Вт) разделить на коэффициент cosφ.
Пример: если на электродрели указана величина мощности в 600 Вт и cosφ = 0,6, то отсюда следует, что потребляемая инструментом полная мощность составляет 600/0,6=1000 ВА. При отсутствии данных по cosφ можно брать его приблизительное значение, которое для домашнего электроинструмента составляет примерно 0,7.
При рассмотрении вопроса об активной и реактивной составляющих электроэнергии (точнее — её мощности), обычно имеются в виду те явления, которые происходят в цепях переменного тока. Оказалось, что различные нагрузки в цепях переменного тока ведут себя совершенно по-разному. Одни нагрузки используют передаваемую им энергию по прямому назначению (т.е. — для совершения полезной работы), а другой тип нагрузок сначала эту энергию запасает, а потом снова отдаёт её источнику электропитания.
По виду своего поведения в цепях переменного тока, различные потребительские нагрузки делятся на следующие два типа:
1.
Активный тип нагрузки поглощает всю получаемую от источника энергию и превращает её в полезную работу (свет от лампы, например), причём форма тока в нагрузке в точности повторяет форму напряжения на ней (сдвиг фаз отсутствует).
2. Реактивный тип нагрузки характеризуется тем, что сначала (в течение некоторого промежутка времени), в нём происходит накопление энергии, поставляемой источником питания. Затем запасённая энергия (в течение определённого промежутка времени) отдаётся обратно в этот источник. К подобным нагрузкам относятся такие элементы электрических цепей, как конденсаторы и катушки индуктивности, а также устройства, содержащие их. При этом в такой нагрузке между напряжением и током присутствует сдвиг фаз, равный 90 градусам. Поскольку основной целью существующих систем электроснабжения является полезная доставка электроэнергии от производителя непосредственно к потребителю (а не перекачивание её туда и обратно) — реактивная составляющая мощности обычно считается вредной характеристикой цепи.
Потери на реактивную составляющую в сети напрямую связаны с величиной рассмотренного выше коэффициента мощности, т.е. чем выше cosφ потребителя, тем меньше будут потери мощности в линии и дешевле обойдётся передача электроэнергии потребителю.
Таким образом, именно коэффициент мощности указывает нам на то, насколько эффективно используется рабочая мощность источника электроэнергии. В целях повышения величины коэффициента мощности (cosφ) во всех видах электрических установок применяются специальные приёмы компенсации реактивной мощности.
Обычно для увеличения коэффициента мощности (за счёт уменьшения сдвига фаз между током и напряжением — угла φ) в действующую сеть включают специальные компенсирующие устройства, представляющие собой вспомогательные генераторы опережающего (емкостного) тока.
Кроме того, очень часто для компенсации потерь, возникающих из-за индуктивной составляющей цепи, в ней используются батареи конденсаторов, подключаемые параллельно рабочей нагрузке и используемые в качестве синхронных компенсаторов.
Что такое кВАр?
Основной единицей измерения мощности применительно к электрооборудованию является кВт (киловатт). Но существует и другая единица мощности, о которой знают далеко не все – кВАр.
кВАр (киловар) – единица измерения реактивной мощности (вольт-ампер реактивный – вар, киловольт-ампер реактивный – кВАр). В соответствии с требованиями Международного стандарта единиц систем измерения СИ, единица измерения реактивной мощности записывается «вар» (и, соответственно, «квар»). Однако широкораспространенным является обозначение «кВАр». Такое обозначение обусловленно тем, что единицей измерения полной мощности по СИ является ВА. В зарубежной литературе общепринятым обозначением единицы измерения реактивной мощности является «kvar«. Единица измерения реактивной мощности приравнивается к внесистемным единицам, допустимым к применению наравне с единицами СИ.
Приемники энергии переменного тока потребляют как активную, так и реактивную мощность.
Соотношение мощностей цепи переменного тока можно представить в виде треугольника мощностей.
На треугольнике мощностей буквами P, Q и S обозначены активная, реактивная и полная мощности соответственно, φ – сдвиг фаз между током (I) и напряжением (U).
Значение реактивной мощности Q (кВАр) используется для определения полной мощности установки S (кВА), что на практике требуется, например, при расчете полной мощности трансформатора, питающего оборудование. Если более подробно рассмотреть треугольник мощностей, то очевидно, что компенсировав реактивную мощность, мы снизим и потребление полной мощности.
Потреблять реактивную мощность из снабжающей сети предприятиям крайне не выгодно, так как это требует увеличения сечений подводящих кабелей, повышения мощности генераторов и трансформаторов. Есть способы позволяющие получать (генерировать) её непосредственно у потребителя. Самым распространенным и эффективным способом является использование конденсаторных установок.
Поскольку основной функцией, выполняемой конденсаторными установками является компенсация реактивной мощности, то и общепринятой единицей их мощности является кВАр, а не кВт как для всего остального электротехнического оборудования.
В зависимости от характера нагрузки на предприятиях могут применяться как не регулируемые конденсаторные установки, так и установки с автоматическим регулированием. В сетях с резко переменной нагрузкой используются установки с тиристорным управлением, которые позволяют подключать и отключать конденсаторы практически мгновенно.
Рабочим элементом любой конденсаторной установки является фазовый (косинусный) конденсатор. Основной характеристикой таких конденсаторов является мощность (кВАр), а не емкость(мкФ), как для остальных типов конденсаторов. Однако в основу функционирования как косинусных, так и обычных конденсаторов, заложены одни и те же физические принципы. Поэтому мощность косинусных конденсаторов, выраженную в кВАр, можно пересчитать в емкость, и наоборот, по таблицам соответствия или формулам пересчета.
Мощность в кВАр прямо пропорциональна емкости конденсатора (мкФ), частоте (Гц) и квадрату напряжения (В) питающей сети. Стандартный ряд номиналов мощности конденсаторов для класса 0,4 кВ составляет от 1,5 до 50 кВАр, а для класса 6-10 кВ от 50 до 600 кВАр.
Важным показателем эффективности энергопотребления является экономический эквивалент реактивной мощности кэ (кВт/кВАр). Он определяется как снижение потерь активной мощности к уменьшению потребления реактивной мощности.
Значения экономического эквивалента реактивной мощности
| Характеристика трансформаторов и системы электроснабжения | При максимальной нагрузке системы (кВт/кВАр) | При минимальной нагрузке системы (кВт/кВАр) |
|---|---|---|
| Трансформаторы, питающиеся непосредственно от шин станций на генераторном напряжении | 0,02 | 0,02 |
| Сетевые трансформаторы, питающиеся от электростанции на генераторном напряжении (например, трансформаторы промышленных предприятий, питающиеся от заводских или городских электростанций) | 0,07 | 0,04 |
| Понижающие трансформаторы 110-35 кВ, питающиеся от районных сетей | 0,1 | 0,06 |
| Понижающие трансформаторы 6-10 кВ, питающиеся от районных сетей | 0,15 | 0,1 |
| Понижающие трансформаторы, питающиеся от районных сетей, реактивная нагрузка которых покрывается синхронными компенсаторами | 0,05 | 0,03 |
Существуют и более «крупные» единицы измерения реактивной мощности, например мегавар (Мвар).
1 Мвар равен 1000 кВАр. В мегаварах как правило измеряется мощность специальных высоковольтных систем компенсации реактивной мощности – батарей статических конденсаторов (БСК).
Введение и измерение активной и реактивной мощности
Что такое активная мощность?
Активная мощность — это мощность, необходимая для работы машины, другими словами, электрическая мощность для преобразования электрической энергии в другой вид энергии, такой как механическая энергия, оптическая энергия, тепловая энергия и т. д.
Например, двигатель мощностью 5,5 кВт может преобразовать электрическую энергию 5,5 кВт в механическую энергию, чтобы заставить водяной насос перекачивать воду или производить обмолот молотилки.
Что такое реактивная мощность?
Реактивная мощность немного абстрактна, она в основном используется для обмена между электрическим полем и магнитным полем в электрической цепи, а также для создания и поддержания магнитного поля в электрооборудовании.
Он не производит никакой энергии извне, а преобразует энергию в другой вид энергии. Электрооборудование с электромагнитными катушками должно потреблять реактивную мощность для создания магнитного поля.
Например, люминесцентной лампе мощностью 40 Вт требуется не только более 40 Вт активной мощности для освещения (балласт также должен потреблять часть активной мощности), но и почти 80 вар реактивной мощности, чтобы катушка балласта создавала переменное магнитное поле.
Соотношение между активной мощностью и реактивной мощностью
Вращающееся магнитное поле, необходимое для работы двигателя, создается и поддерживается реактивной мощностью. Он может заставить двигатель вращаться и заставить машину работать так, чтобы механическая энергия преобразовывалась в электрическую энергию.
Для работы трансформатора также требуется реактивная мощность, чтобы первичная катушка генерировала магнитное поле, а вторичная катушка индуцировала напряжение.
Таким образом, все электрооборудование с электромагнитной катушкой для работы должно создавать магнитное поле, тогда как энергия, потребляемая для создания и поддержания магнитного поля, исходит от реактивной мощности.
Без реактивной мощности двигатель не может вращаться, трансформатор не может работать, электрический дроссель и реле также не могут работать. Если магнитное поле в электрооборудовании не может быть установлено, оборудование также не может работать.
Таким образом, помимо активной мощности энергосистема также должна поставлять реактивную мощность для работы электрооборудования.
SA2200 Анализатор качества электроэнергии имеет функцию измерения активной и реактивной мощности, которая поможет пользователям рассчитать и снизить энергопотребление. Пожалуйста, проверьте данные измерений, как показано ниже:
Выходной сигнал: частота 50 Гц, напряжение 230 В, ток 500 А, фаза тока отстает от фазы напряжения на 30° (индуктивная нагрузка) выходной сигнал показан в режимах SA2200 Scope и Unbalance.
Затем нажмите [Power&Energy] для измерения, как показано на рисунке 2.
Рис.2.
Таким образом, мы знаем, что измеренная активная мощность составляет 99,63 кВт, основная реактивная мощность составляет 57,51 кВАр, что может быть ориентиром для выбора конденсатора компенсации реактивной мощности.
Примечание:
P(кВт): активная мощность
S(кВА): полная мощность, произведение Vrms и Irms
Q1(kvar): реактивная мощность основной волны
90 004 PF: коэффициент мощности , отношение активной мощности к полной мощностиcosФ: коэффициент мощности смещения, значение косинуса угла основного тока и основного напряжения
tanФ: отношение реактивной мощности к активной мощности
Urms: действующее напряжение
Irms: действующее значение тока
Измерение анализа мощности | Dewesoft
В следующем разделе более подробно рассматриваются возможные настройки измерения, доступные в Dewesoft X. Мы покажем, как подключить напряжение и ток в различных настройках, а также поясним, как настроить измерения в программном обеспечении. Есть также несколько экранов, которые показывают, как могут выглядеть возможные измерения, когда настройки выполнены и измерения выполнены.
Измерение мощности постоянного тока
Аппаратная конфигурация
Для простого измерения постоянного тока подключите напряжение и ток к Sirius, как показано на следующем рисунке.
Настройка аналогового сигнала
На следующем этапе в Dewesoft X необходимо выполнить настройку аналогового сигнала как для напряжения, так и для тока (см. ). На изображении ниже показано, как будет выглядеть типичная установка постоянного тока.
Изображение 28: Настройка аналогового измерения постоянного токаНастройка модуля питания
В модуле питания проводка должна быть настроена на измерение постоянного тока, это показано на изображении ниже в красном квадрате. Затем необходимо выполнить настройку выбранного приложения.
На странице схемы подключения можно выбрать два различных режима расчета, это показано синим квадратом на изображении. Во-первых, можно выбрать или ввести нужную скорость расчета, либо синхронизировать измерение с другим каналом. Этот синхронизированный канал может быть от другого силового модуля, например. 3-х фазный силовой модуль.
Кроме того, можно добавить расчет энергии, как показано желтым квадратом на изображении.
Математический расчет мощности постоянного тока (требуется только в Dewesoft X2) Мощность постоянного тока рассчитывается.
Изображение 30: Математический расчет мощности постоянного тока (требуется только в Dewesoft X2)
Экран измерений
При переключении на экран измерений можно визуализировать напряжение, ток и мощность. На изображении ниже показана мощность аккумулятора электромобиля. Напряжение (пурпурный цвет) относительно постоянно, в то время как ток (зеленый цвет) присутствует только при включении питания (ускорение — синий цвет).
Изображение 31: Экран регистратора измерения постоянного тока
Однофазное измерение
Конфигурация оборудования
Для измерения однофазного переменного тока подключите напряжение и ток к Sirius, как показано на следующем рисунке.
Рис. 32. Конфигурация оборудования для однофазных измерений
Настройка аналоговых сигналов
На следующем этапе в Dewesoft X необходимо выполнить настройку аналоговых сигналов как для напряжения, так и для тока (см. в качестве ссылок). На изображении ниже показано, как будет выглядеть типичная установка 1-Phase.
Рис. 33: Настройка аналогового измерения однофазного измеренияНастройка силового модуля
В силовом модуле проводка должна быть настроена на однофазную, и должны быть выполнены конфигурации для конкретного применения.
Например, при измерении нагрузки, подключенной к сети общего пользования, частота линии будет установлена на 50 Гц (60 Гц в Северной Америке, некоторых частях Южной Америки, Японии и т. д.), единица измерения должна быть Ватт, источник частоты представляет собой напряжение, количество циклов равно 10 (12 при частоте 60 Гц), а номинальное напряжение (фаза-земля) составляет 230 вольт в Европе (это зависит от страны к стране).
В раскрывающемся списке можно выбрать 120 В и 230 В, а в маске ввода можно ввести значение, соответствующее измерению.
Экран измерений
После переключения в режим измерений дизайн экрана для измерения можно настроить в соответствии с требованиями пользователя. На изображении показан экран измерений с наиболее распространенными графиками и значениями, измеренными при однофазном измерении.
Рис. 35: Экран однофазных измеренийДвухфазное измерение
Двухфазные измерения проводятся редко, но некоторые двигатели (например, шаговые двигатели), например, работают с двумя фазами (одна фаза имеет фазовый сдвиг 90° к другому).
Настройка оборудования
Для измерения двухфазного переменного тока подключите напряжение и ток к Sirius, как показано на следующем рисунке.
Изображение 36: Настройка оборудования для двухфазного измерения
Настройка аналогового сигнала
Следующим шагом будет установка аналоговой настройки для входного напряжения и тока (для получения дополнительной информации см.
профессиональное обучение по напряжению и току).
Настройка силового модуля
В силовом модуле проводка должна быть настроена на 2 фазы, и должны быть выполнены конфигурации для конкретного приложения.
Изображение 38: Экран настройки модуля питания для двухфазных измеренийЭкран измерений
После переключения в режим измерений дизайн экрана для измерения можно настроить в соответствии с требованиями пользователя. В этом случае показаны размах и размах вектора двухфазного шагового двигателя, а также однофазное напряжение и ток сети.
Рис. 39: Экран двухфазных измерений
Трехфазное измерение звездой
Соединение звездой в основном используется для измерения трехфазных систем, особенно если имеется нейтральная линия от сети или нулевая точка двигателя. Три фазы напряжения подключены к высоковольтным модулям Sirius на стороне высокого напряжения.
Сторона низкого напряжения трех входов находится на потенциале нейтральной линии или точки запуска двигателя. Если оба недоступны, можно создать искусственную звездную точку, замкнув накоротко нижние стороны усилителей.
Конфигурация аппаратного обеспечения
На следующем рисунке показано подключение для измерения трехфазной звезды, включая три датчика нулевого потока для измерения тока. В этом измерении используются преобразователи с нулевым потоком, поэтому необходимо также подключить срез Sirius MCTS. Это связано с тем, что датчикам с нулевым потоком требуется больше энергии, чем может обеспечить Sirius 4xHv 4xLV. Sirius MCTS предназначен для обеспечения мощности до 20 Вт на канал.
Рис. 40. Настройка оборудования для трехфазного измерения звездой
Аналоговая настройка
Следующим шагом будет установка аналоговой настройки для входа напряжения и тока (дополнительную информацию см. в профессиональном обучении по напряжению и току).
Настройка силового модуля
В силовом модуле проводка должна быть настроена на трехфазную звезду, и должна быть выполнена конфигурация для конкретного применения.
Рис. 42. Настройка трехфазного модуля питания «звезда»Экран измерения
После переключения в режим измерения дизайн экрана измерения можно настроить в соответствии с требованиями пользователя. В этом примере показана нагрузка домохозяйства.
В левом верхнем углу экрана находятся цифровые счетчики, которые отображают значения напряжения и тока в среднеквадратичных значениях, в середине — текущая мощность, потребляемая из сети, а в правом верхнем углу — текущие значения мощности сети. показаны три фазы. Левый прицел в середине экрана показывает форму волны напряжения, а правый — форму волны тока (которая сильно искажена). В нижней части экрана отображается профиль нагрузки в регистраторе.
3-фазное измерение по схеме «треугольник»
Соединение по схеме «треугольник» используется при отсутствии нейтральной линии или звезды на двигателе. Трехфазные напряжения подключаются к высоковольтным модулям Sirius со стороны высокого напряжения к клеммам под напряжением (красные). Нейтральные клеммы высоковольтного усилителя должны быть подключены к следующей клемме под напряжением (нейтральная клемма L1 к клемме под напряжением L2, нейтральная клемма L2 к клемме под напряжением L3, а затем нейтральная клемма L3 к клемме под напряжением L1).
Конфигурация оборудования
На следующем рисунке показано подключение для трехфазного измерения дельты, включая три датчика нулевого потока для измерения тока. В этом измерении используются преобразователи с нулевым потоком, поэтому необходимо также подключить срез Sirius MCTS. Это связано с тем, что датчикам с нулевым потоком требуется больше энергии, чем может обеспечить Sirius 4xHV 4xLV.
Sirius MCTS предназначен для обеспечения мощности до 20 Вт на канал.
Аналоговая настройка
Следующим шагом будет установка аналоговой настройки для входа напряжения и тока (дополнительную информацию см. в профессиональном обучении по напряжению и току).
Рис. 45: Настройка аналогового измерения трехфазного дельтаНастройка силового модуля
В силовом модуле проводка должна быть настроена на 3 фазы-треугольник, и должна быть выполнена конфигурация для конкретного применения.
Рис. 46. Настройка силового модуля 3-фазного треугольника
Экран измерения
После переключения в режим измерения дизайн экрана для измерения можно настроить в соответствии с требованиями пользователя. В этом примере показано измерение фотоэлектрического инвертора в конфигурации «треугольник». Вектороскоп в правом верхнем углу показывает, что мощность подается в сеть, поэтому векторы тока имеют фазовый сдвиг на 180° относительно векторов напряжения по сравнению с тем, где они были бы, если бы система потребляла энергию.
Далее показаны формы сигналов как напряжения, так и тока на осциллографах в виде идеальных синусоидальных сигналов.
Для сравнения на следующем изображении изображен однофазный фотоэлектрический инвертор с неблагоприятными формами сигналов напряжения и тока. Напряжение имеет прямоугольную форму, электрические устройства, подобные этому, создают большую нагрузку на сеть. В основном это происходит из-за гармоник, присутствующих в сигналах. Они вызывают искажения в формах сигналов напряжения и тока, из-за чего они принимают формы сигналов, отличные от идеальных. Дополнительную информацию см. в разделе «Профессиональное обучение качеству электроэнергии».
Рис. 48: Экран измерений 1-фазного фотоэлектрического инвертораРасчет звезда-треугольник
Особенностью силового модуля Dewesoft X является расчет звезда-треугольник.
Рис. 49: Расчет звезда-треугольник Эта функция позволяет рассчитать все значения соединения треугольником из соединения звезды (форма волны, среднеквадратичные значения) и наоборот.
Это означает, что независимо от аппаратного подключения к системе могут быть измерены оба типа подключения. Например, чтобы увидеть аналоговый сигнал напряжения соединения треугольником, когда используется соединение звездой, просто выберите параметр «Рассчитать формы волны», выделенный СИНИМ цветом на рисунке. Следующая опция, выделенная КРАСНЫМ цветом, «Расчет линейных напряжений», позволяет отображать среднеквадратичное значение напряжения и гармоники.
Рис. 50. Расчет линейных напряжений и расчет форм сигналов
В следующей таблице показаны расчеты, используемые в Dewesoft X для преобразования звезда-треугольник и треугольник-звезда.
Рис. 51: Расчеты преобразования звезда-треугольник и треугольник-звезда в силовых модулях некоторые приложения, только два тока и / или напряжения измеряются вместо трех в трехфазной схеме. Основной причиной этого типа измерения является экономия затрат.
Это делается для измерений, когда полностью уверена, что нагрузка абсолютно синхронна, тогда можно рассчитать третий ток из двух измеренных токов.
Это часто делается с помощью измерений сетки (дорогие преобразователи тока, симметричная нагрузка).
Соединение Арона
Конфигурация оборудования
Наиболее распространенным способом измерения активной мощности с симметричными и асимметричными нагрузками без соединения N является схема измерителя двух мощностей или схема Арона. Его преимущество перед схемой с тремя измерителями мощности заключается в том, что он экономит один измерительный прибор и что определение cos phi и реактивной мощности возможно также при симметричной нагрузке. Соединение Арона представляет собой соединение звездой, при котором измеряются только два тока.
Изображение 52: Настройка оборудования для подключения AronНастройка силового модуля
В силовом модуле проводка должна быть настроена на 3-фазный Aron, и должны быть выполнены конфигурации для конкретного приложения.
Рисунок 53: Настройка силового модуля соединения АронаV-образное соединение
Конфигурация оборудования
V-образное соединение представляет собой соединение треугольником, при котором измеряются только два тока, но в основном работает по тому же принципу, что и соединение Арона.
