О природе реактивной энергии / Хабр

Вокруг реактивной энергии сложилось немало легенд, активно способствовала развитию околонаучного фольклора любовь нашего человека к халяве и разнообразным теориям глобального заговора.

В рунете можно найти множество success story о том как простой мужичок из глубинки годами эксплуатирует халявную реактивную энергию (которую бытовой счетчик электроэнергии не регистрирует) и живет себе, не зная бед. Так же можно найти заметки людей, призывающих бросить бесполезное занятие поиска источника халявы в халявной реактивной энергии. Для того чтобы окончательно раставить точки над ‘i’ в этом вопросе, я решил написать этот пост, не мудрствуя лукаво.

Как известно, потребляемая от источника переменного тока энергия складывается из двух составляющих:

1. Активной энергии
2. Реактивной энергии

1. Активная энергия — та часть потребляемой энергии, которая целиком и безвозвратно преобразуется приемником в другие виды энергии

.

Пример: Протекая через резистор, ток совершает активную работу, что выражается в увеличении тепловой энергии резистора. Вне зависимости от фазы протекающего тока, резистор преобразует его энергию в тепловую. Резистору не важно в каком направлении течет по нему ток, важна лишь его величина: чем он больше, тем больше тепла высвободится на резисторе (количество выделенного тепла равно произведению квадрата тока и сопротивления резистора).

2. Реактивная энергия — та часть потребляемой энергии, которая в следующую четверть периода будет целиком отдана обратно источнику.

Пример: Представим себе, что к источнику переменного тока подключен конденсатор. Начальный заряд на обкладках конденсатора равен нулю, начальная фаза напряжения источника так же равна нулю. Одно полное колебание состоит из четырех четвертьпериодов:

1. Напряжение источника растет от 0 до максимального мгновенного значения (при действующем значении U источника 230V оно равно 230 * 1,4142 = 325V) При этом конденсатор потребляет ток, необходимый для его полного заряда
2. Напряжение источника стремительно уменьшается (движется к нулю), при этом, напряжение на заряженном конденсаторе оказывается выше чем на источнике, что вызывает течение тока в обратную сторону (ведь ток течет от большего потенциала к меньшему), то есть конденсатор разряжается, отдавая накопленную энергию обратно источнику!
3. Для следующих двух четвертьпериодов вышеописанная история повторяется с тем лишь различием, что токи заряда и разряда емкости потекут в противоположных направлениях.

   В случае включения вместо конденсатора катушки индуктивности, суть процесса не изменится.

   В этом и состоит главный фокус реактивной энергии — в момент ‘прилива’ мы заполняем свои цистерны, в момент отлива же, мы сливаем их содержимое обратно. Как можно заметить из этой простой аналогии, мы просто туда-сюда переливаем жидкость

   (или ток в электроцепях). Если же мы соблазнимся слить хоть немного жидкости ‘налево’ (включить последовательно с реактивным конденсатором активный резистор), то мы станем брать ‘несколько больше’ чем возвращать, а это ‘несколько больше’ уже является активной энергией по определению (ведь мы эту часть не возвращаем обратно, не так ли?), за которую как известно, приходится платить.

   Или иной пример: предположим, что мы берем у кредитора некоторую сумму денег взаймы и сразу же возвращаем ему взятый только что кредит. Если мы отдадим ровно столько, сколько взяли (чистая реактивность) — мы придем к исходному состоянию и никто никому не будет ничего должен.

   В случае же, если мы потратим часть кредита на какую ни будь покупку и вернем то, что осталось от кредита после совершения покупки (добавим в цепь активную нагрузку и часть энергии уйдет из системы) — мы будем все еще должны. Эта потраченная часть является активной составляющей взятого нами кредита.

   Теперь у вас может возникнуть один весьма резонный вопрос — если все так просто, и для того чтобы энергия считалась реактивной, ее просто нужно полностью вернуть обратно источнику, почему предприятия вынуждены платить за потребляемую (и полностью возвращаемую) реактивную энергию?

   Все дело в том, что в случае чисто реактивной нагрузки, момент максимально потребляемого тока (реактивного) приходится на момент минимального значения напряжения, и наоборот, в момент максимума напряжения на клеммах нагрузки, протекающий через нее ток равен нулю.

   Протекающий реактивный ток греет питающие проводники — но это активные потери, вызванные протеканием реактивного тока по проводникам с ограниченной проводимостью, что эквивалентно последовательно включенным с реактивной нагрузкой активным резистором. Так же, поскольку в момент максимума реактивного тока напряжение на полюсах реактивного элемента переходит через ноль, активная мощность подводимая к нему в этот момент

   (произведение тока и напряжения) равна нулю. Вывод — реактивный ток вызывает нагрев проводов, не совершая при этом никакой полезной работы. Следует заметить, что эти потери так-же является активными и будут засчитываться бытовым счетчиком активной энергии.

   Большие предприятия сопсобны генерировать достаточно большие реактивные токи, которые отрицательно сказываются на функционировании энергосистемы. По этой причине, для них проводится учет как активной, так и реактивной составляющей потребленной энергии. Для уменьшения генерации реактивных токов (вызывающих вполне реальные активные потери), на предприятиях размещают установки компенсации реактивной мощности.

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ 0,4 КВ

Компенсация реактивной мощности в сетях 0,4 кВ: зачем?

В электрических цепях, содержащих только активное сопротивление, ток совпадает по фазе с напряжением. В присутствии индуктивностей (двигатели, трансформаторы без нагрузки) ток отстает от напряжения, а конденсаторов — опережает.

Полный ток, потребляемый, например, двигателем, представляет собой векторную сумму двух составляющих:

• I_R – активный ток;
• I_L – реактивный (индуктивный ток).

Каждая из этих составляющих связана с соответствующей мощностью:

• активная мощность создается током I_R;
• реактивная мощность создается током I_L.

Реактивная мощность не совершает механическую работу, но является дополнительной нагрузкой на оборудование поставщика электроэнергии.

Доля реактивной мощности характеризуется параметром, называемым «коэффициентом мощности».

Коэффициент мощности мощно определить как отношение активной мощности к полной:

Если в цепи отсутствуют токи высших гармоник, коэффициент мощности численно равен cos φ (φ – это угол между векторами тока и напряжения).

По мере увеличения реактивной мощности, cos φ уменьшается.

При низком cos φ возникают следующие нежелательные явления:

• Повышенные потери в электрических линиях
• Рост падения напряжения в линиях
• Рост необходимой мощности генераторов, трансформаторов, линий электропередачи.

Отсюда ясна необходимость улучшения (повышения) коэффициента мощности – компенсации реактивной мощности в сети. Эту задачу можно решить с помощью конденсаторов.

Компенсация реактивной мощности в сетях 0,4 кВ: как?

Установка конденсаторной батареи позволяет уменьшить реактивную мощность, потребляемую индуктивными нагрузками, и, соответственно, повысить коэффициент мощности – скомпенсировать реактивную мощность в сети.

Желательно иметь cos φ чуть больше 0,9, поскольку, с одной стороны, это позволяет избежать штрафных санкций за низкий коэффициент мощности. При этом cos φ не должен быть слишком близок к единице, что избежать опережающих токов в системе при случайной перекомпенсации.

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

Прежде всего, следует выбрать между ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ и ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ.

Индивидуальная компенсация реактивной мощности: компенсирующее устройство устанавливается непосредственно на нагрузке (например, на зажимах двигателя).

Централизованная компенсация реактивной мощности: используется только одна конденсаторная батарея, которая устанавливается на главном распределительном щите или подстанции.

Индивидуальная компенсация реактивной мощности является самым технически простым решением: конденсатор включается и выключается вместе с относящейся к нему нагрузкой, поэтому компенсация соответствует cos φ нагрузки и синхронизирована с ее суточными колебаниями.

Другим преимуществом индивидуальной компенсации реактивной мощности в сетях 0,4 кВ является простота установки оборудования и низкая цена.

Суточные колебания нагрузки являются основополагающим фактором при выборе наиболее подходящего способа компенсации.

Во многих системах не все нагрузки задействованы одновременно, и некоторые из них работают всего несколько часов в день.

Очевидно, что индивидуальная компенсация реактивной мощности в этом случае становится слишком дорогой из-за необходимости установки большого количества конденсаторов. При этом основная масса конденсаторов не будет использоваться большую часть времени.

Индивидуальная компенсация реактивной мощности в сетях 0,4 кВ наиболее эффективна, если большая часть реактивной мощности потребляется несколькими мощными нагрузками, которые работают подолгу.

Централизованная компенсация реактивной мощности наиболее выгодна там, где нагрузка многократно изменяется в течение дня.

Если потребность в реактивной мощности сильно колеблется, целесообразно использовать батареи с автоматическим регулированием, а не конденсаторы, емкость которых постоянна.

Компенсация реактивной мощности в сетях 0,4 кВ: сколько требуется конденсаторов?

Выбор конденсаторной батареи тесно связан со следующими параметрами:

• cos φ₂ – желаемая величина коэффициента мощности
• cos φ₁ – начальное значение
• установленная реактивная мощность.

Необходимая компенсирующая мощность определяется выражением:

Q_C = P (tan φ₁ – tan φ₂)

Это выражение можно переписать в виде: Qc = k * P, где параметр k легко определить из таблицы 1 и

Q_C – требуемая реактивная мощность конденсаторов [квар];

P – активная мощность [кВт];

Q_L и Q_L’ – реактивная мощность до и после установки конденсаторной батареи;

A, A’ – полная мощность до и после коррекции коэффициента мощности [кВА].

Таблица 1

Начальный коэффициент мощности	Конечный коэффициент мощности
	0,9	0,91	0,92	0,93	0,94	0,95
0,40	1,807	1,836	1,865	1,896	1,928	1,963
0,41	1,740	1,769	1,799	1,829	1,862	1,896
0,42	1,676	1,705	1,735	1,766	1,798	1,832
0,43	1,615	1,644	1,674	1,704	1,737	1,771
0,44	1,557	1,585	1,615	1,646	1,678	1,712
0,45	1,500	1,529	1,559	1,589	1,622	1,656
0,46	1,446	1,475	1,504	1,535	1,567	1,602
0,47	1,394	1,422	1,452	1,483	1,515	1,549
0,48	1,343	1,372	1,402	1,432	1,465	1,499
0,49	1,295	1,323	1,353	1,384	1,416	1,450
0,50	1,248	1,276	1,306	1,337	1,369	1,403
0,51	1,202	1,231	1,261	1,291	1,324	1,358
0,52	1,158	1,187	1,217	1,247	1,280	1,314
0,53	1,116	1,144	1,174	1,205	1,237	1,271
0,54	1,074	1,103	1,133	1,163	1,196	1,230
0,55	1,034	1,063	1,092	1,123	1,156	1,190
0,56	0,995	1,024	1,053	1,084	1,116	1,151
0,57	0,957	0,986	1,015	1,046	1,079	1,113
0,58	0,920	0,949	0,979	1,009	1,042	1,076
0,59	0,884	0,913	0,942	0,973	1,006	1,040
0,60	0,849	0,878	0,907	0,938	0,970	1,005
0,61	0,815	0,843	0,873	0,904	0,936	0,970
0,62	0,781	0,810	0,839	0,870	0,903	0,937
0,63	0,748	0,777	0,807	0,837	0,870	0,904
0,64	0,716	0,745	0,775	0,805	0,838	0,872
0,65	0,685	0,714	0,743	0,774	0,806	0,840
0,66	0,654	0,683	0,712	0,743	0,775	0,810
0,67	0,624	0,652	0,682	0,713	0,745	0,779
0,68	0,594	0,623	0,652	0,683	0,715	0,750
0,69	0,565	0,593	0,623	0,654	0,686	0,720
0,70	0,536	0,565	0,594	0,625	0,657	0,692
0,71	0,508	0,536	0,566	0,597	0,629	0,663
0,72	0,480	0,508	0,538	0,569	0,601	0,635
0,73	0,452	0,481	0,510	0,541	0,573	0,608
0,74	0,425	0,453	0,483	0,514	0,546	0,580
0,75	0,398	0,426	0,456	0,487	0,519	0,553
0,76	0,371	0,400	0,429	0,460	0,492	0,526
0,77	0,344	0,373	0,403	0,433	0,466	0,500
0,78	0,318	0,347	0,376	0,407	0,439	0,474
0,79	0,292	0,320	0,350	0,381	0,413	0,447
0,80	0,266	0,294	0,324	0,355	0,387	0,421
0,81	0,240	0,268	0,298	0,329	0,361	0,395
0,82	0,214	0,242	0,272	0,303	0,335	0,369
0,83	0,188	0,216	0,246	0,277	0,309	0,343
0,84	0,162	0,190	0,220	0,251	0,283	0,317
0,85	0,135	0,164	0,194	0,225	0,257	0,291
0,86	0,109	0,138	0,167	0,198	0,230	0,265
0,87	0,082	0,111	0,141	0,172	0,204	0,238

Двигатели: активная, реактивная и полная мощность

к Дэвид Коханбаш на 10 ноября 2014 г.

Когда мы смотрим на двигатели, особенно на бесщеточные двигатели постоянного тока, возникает множество запутанных сил. Когда ваш босс приходит и просит вас измерить электрическую мощность, потребляемую вашим двигателем, это часто бывает непросто. Как правило, самый простой способ получить ток, потребляемый двигателем, — это измерить ток, потребляемый усилителем. Если у вас коллекторный двигатель, вы можете надеть токовые клещи на провод, идущий к двигателю, измерить напряжение и получить мощность. Однако с бесщеточным двигателем постоянного тока вы не можете просто надеть на него зажим усилителя. С бесщеточным двигателем постоянного тока вам нужно беспокоиться о различных трапецеидальных или синусоидальных напряжениях, которые распределяются по нескольким фазам, и соответствующих фазных токах.

Таким образом, в бесщеточном двигателе постоянного тока, если вам нужен ток, и вы используете цифровой привод, вы часто можете запросить ток с помощью команды программного обеспечения. Например, с контроллером двигателя Elmo вы можете отправить последовательную команду ID (для реактивного тока) или IQ (для активного тока). Теперь, если вы сравните эти цифры с током, поступающим в ваш усилитель для вращения двигателей, они вообще не будут совпадать. Что с этим делать? Кроме того, вы не можете легко получить соответствующие синусоидальные напряжения, соответствующие этим токам, чтобы получить мощность двигателя.

Обычно при обсуждении двигателей нас интересует 3 различных типа тока/мощности.

Активный

Активный ток, также называемый «действительным» или «истинным» током, представляет собой ток в активной фазе. Когда мы обсуждаем активную мощность, единицы измерения указываются в ваттах.
Активная составляющая магнитного поля перпендикулярна магнитному направлению ротора и создает механический крутящий момент для работы двигателя

Следуя аналогии, которую я слышал в колледже (давным-давно) и на изображении выше. Активная мощность соответствует фактическому напитку в пинте пива (или газировки), той части, которую вы хотите и можете сделать.

Реактивный

Реактивный ток – это магнитная энергия полей. Он на 90 градусов не совпадает по фазе с активным током. В значительной степени, если вы представляете синусоидальную волну, когда волна увеличивается, а поле растет, реактивный ток растет. По мере уменьшения волны реактивный ток уменьшается. Это приводит к тому, что реактивный ток продолжает колебаться вверх и вниз вместе с синусоидальной волной. Этот реактивный ток важен и необходим для поддержания магнитных полей, необходимых для вращения двигателя. Обычно вы хотите, чтобы реактивный ток был близок к 0. Когда мы говорим о мощности, это по-прежнему мощность = вольты x ампер, однако реактивная мощность имеет единицы измерения 9.0007 вар .

Реактивная мощность эквивалентна пивной голове. Голова важна, и мы нуждаемся в ней. Однако это не дает реальной работы, которую мы хотим от напитка.

Видимый

Полный ток представляет собой комбинацию активных и реактивных элементов тока.

Полная мощность измеряется в вольтамперах или записывается как ВА. Это представлено на изображении выше комбинацией активной и реактивной частей напитка.

Как и в случае со стаканом пива, вам нужна чашка, достаточно большая, чтобы вместить жидкость и голову, когда вы выбираете свои проводники, их размер должен быть основан на кажущемся токе.

В сумме активная и реактивная мощности функционируют независимо друг от друга и не могут быть преобразованы друг в друга. Активная мощность производит наш физический результат (крутящий момент двигателя и тепло), а реактивная мощность представляет собой только мощность, которая колеблется взад и вперед по мере того, как магнитное поле нарастает и меняет направление.

Итак, после всего этого, как мне получить мощность, используемую двигателем?

DC Матовый

Это простой случай, когда вы можете измерить входное напряжение и измерить ток, используя клещи усилителя на главном проводе питания к двигателю. Мощность = Вольты X Амперы, и у вас есть решение.

Бесколлекторный DC

Наиболее точным способом является измерение входного напряжения и тока, поступающего на усилитель (двигатель). Если это невозможно и вам нужно использовать сообщаемый ток от приводов, вам необходимо приблизить мощность. То, как я это делаю, основано на вещах, которые я испытал, но на самом деле я нигде не видел документального подтверждения. Для напряжения я вычисляю среднеквадратичное значение напряжения (V _RMS =V _Пик X 0,707). А затем для тока, если я хочу узнать потребляемый ток двигателя, я буду использовать кажущийся ток сверху. Если я хочу знать ток, который двигатель имеет для создания крутящего момента, я буду использовать значение активного тока. Я также усредню сообщаемые значения тока для нескольких оборотов двигателя, когда это возможно для приведенных выше расчетов. Результаты не идеальны, но я думаю, что они близки.

Как упомянул ниже читатель chaimav, вы также можете получить счетчик для измерения ваших 3 типов мощности. Fluke 43b выглядит как хороший инструмент, который может предоставить вам информацию о двигателе. Он рассчитан на действительно большие, очень большие токи и напряжения, что ставит большинство двигателей роботов в самый низкий диапазон его производительности.

У вас есть лучший способ получить мощность двигателя? Пожалуйста, оставьте это в комментариях ниже!

---

Я знаю, что часто переключаюсь с тока на питание и на пиво. Я пытался выбрать лучшее для каждого примера. Извините, если я смущаю или раздражаю вас своим переключением.

Основное изображение из Википедии, модифицированное на основе примера из старых заметок колледжа.

Большая часть приведенного выше материала основана на моем старом учебнике для колледжа под названием «Электрические машины, приводы и энергосистемы» Теодора Уилди.

Понравилось? Найдите секунду, чтобы поддержать Дэвида Коханбаша на Patreon!

• Теги: активный, кажущийся, ток, двигатель, мощность, реактивный, реальный
• Категории: Электрика и электроника

Что такое коэффициент мощности? Разница активной и реактивной мощности —

Посмотрим, какой коэффициент мощности? И, следовательно, мы увидим разницу между KVA и KW.

Сначала посмотрим, что такое коэффициент мощности?

Говоря простыми словами, Коэффициент мощности — это мера эффективного использования электроэнергии. Это означает, что чем больше коэффициент мощности, тем лучше использование энергии.

Коэффициент мощности — это не что иное, как угол между напряжением и током. Это разность фаз между напряжением и током. Следовательно, коэффициент мощности напрямую связан с разностью фаз между напряжением и током. Здесь мы можем видеть векторную диаграмму напряжения и тока источника переменного тока. Если мы рассмотрим напряжение как эталон, а Φ как угол между напряжением и током. Тогда коэффициент мощности равен cos Φ.

 

Теперь рассмотрим формы сигналов напряжения и тока. Это форма волны напряжения.

Уравнение напряжения:

V=VmsinωT

Где Vm=пиковое значение напряжения

ω=2πf, где f — частота, а T — время

Уравнения тока будут отличаться в зависимости от разности фаз между напряжением и током .

1. Ток в фазе с напряжением (Φ=0):

 

Это означает, что разность фаз между напряжением и током равна нулю. Это означает, что Φ равно нулю.

Следовательно, уравнение тока

I=ImsinωT

Уравнение и векторная диаграмма аналогичны диаграмме напряжения.

Где

Im= Пиковое значение тока. ω=2πf. f — частота. Т — время.

Ток в фазе с напряжением.

2. Ток опережает напряжение (Φ+Ve):

Это означает, что Φ положителен.

Отсюда уравнение тока

I=Imsin(ωT+Φ)

Ток опережает напряжение в емкостной цепи или нагрузке.

Ток опережает напряжение.

3. Ток отстает от напряжения (Φ-Ve):

Это означает, что Φ отрицательно.

Отсюда уравнение тока

I=Imsin(ωT-Φ)

Ток отстает от напряжения в индуктивной цепи или нагрузке. Как правило, любая бытовая или промышленная нагрузка является индуктивной. Ток отстает от напряжения.

Теперь давайте посмотрим, почему существует разница фаз между напряжением и током сети переменного тока?

Поскольку мы знаем, что разность фаз есть не что иное, как разница во времени между распространением напряжения и тока. Разница фаз в основном связана с частотой источника питания переменного тока. Из-за своей переменной природы мощность переменного тока имеет частоту, которая вызывает разность фаз между напряжением и током как в индуктивных, так и в емкостных цепях. В силовой цепи постоянного тока нет частоты, следовательно, нет разности фаз между напряжением и током, и, следовательно, коэффициент мощности равен единице.

Что такое активная мощность? А что такое реактивная мощность?

Простыми словами, активная мощность полезна для мощности, за счет которой нагрузка выполняет свою функцию. Реактивная мощность существует в основном за счет индуктивных и емкостных свойств цепи или нагрузки, которая потребляется для зарядки цепей или нагрузок. Эта мощность перемещается между источником и нагрузкой. Следовательно, реактивная мощность не влияет непосредственно на функцию нагрузки.

Для лучшего понимания рассмотрим треугольник мощности. В этом треугольнике мощности это активная мощность, обозначаемая как P, это реактивная мощность, обозначаемая как Q, и это векторное сложение активной и реактивной мощностей, называемое полной мощностью, обозначаемое как S.