Активная реактивная и полная мощность

Активная, реактивная и полная мощность напрямую связаны с током и напряжением в замкнутой электрической цепи, когда включены какие-либо потребители. Для проведения вычислений применяются различные формулы, среди которых основной является произведение напряжения и силы тока. Прежде всего это касается постоянного напряжения. Однако в цепях переменного тока мощность разделяется на несколько составляющих, отмеченных выше. Вычисление каждой из них осуществляется с помощью формул.

Формулы активной, реактивной и полной мощности

Основной составляющей считается активная мощность. Она представляет собой величину, характеризующую процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии. То есть по-другому является скоростью, с какой потребляется электроэнергия. Именно это значение отображается на электросчетчике и оплачивается потребителями. Вычисление активной мощности выполняется по формуле: P = U x I x cosф.

В отличие от активной, которая относится к той энергии, которая непосредственно потребляется электроприборами и преобразуется в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую и т.д., реактивная мощность является своеобразным невидимым помощником. С ее участием создаются электромагнитные поля, потребляемые электродвигателями. Прежде всего она определяет характер нагрузки, и может не только генерироваться, но и потребляться. Расчеты реактивной мощности производятся по формуле: Q = U x I x sinф.

Полной мощностью является величина, состоящая из активной и реактивной составляющих. Именно она обеспечивает потребителям необходимое количество электроэнергии и поддерживает их в рабочем состоянии. Для ее расчетов применяется формула: S =

.

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.

В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.

При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.

Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в ваттах, реактивная мощность измеряется в вар – вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.

Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).

Реактивная мощность: от возникновения к практике

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

Возникновение реактивная мощность

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

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

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

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

Графики напряжения, тока, мощности

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

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

Реактивная мощность и конденсаторы

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

Анализ цепей графическим методом

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

Треугольник сопротивлений и коэффициент мощности

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

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

Формулы реактивных составляющих

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

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

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

Практическое истолкование коэффициента мощности

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

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

Коэффициент мощности

Величина энергии, запасаемой полем, определяется размером индуктивности или емкости. Прочитаете в любом учебнике физики для ВУЗов (Курс физики Жданова и Маранджяна, т. 2, стр. 234), точнее – пропорциональна квадрату величины. Теория реактивной мощности предполагает: некая энергия запасается каждый период паразитной индуктивностью, емкостью, потом уходит во внешнюю цепь. Получается своеобразная циркуляция внутри колебательного контура. Сильно нагреваются соединительные провода, если индуктивность находится слишком далеко от ёмкости.

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

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

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

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

Что предлагают под видом экономии электроэнергии

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

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

Перспективы дальнейшего изучения реактивной энергии, как явления

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

Активная мощность трансформатора формула — Морской флот

Простое объяснение с формулами

Активная мощность (P)

Другими словами активную мощность можно назвать: фактическая, настоящая, полезная, реальная мощность. В цепи постоянного тока мощность, питающая нагрузку постоянного тока, определяется как простое произведение напряжения на нагрузке и протекающего тока, то есть

потому что в цепи постоянного тока нет понятия фазового угла между током и напряжением. Другими словами, в цепи постоянного тока нет никакого коэффициента мощности.

Но при синусоидальных сигналах, то есть в цепях переменного тока, ситуация сложнее из-за наличия разности фаз между током и напряжением. Поэтому среднее значение мощности (активная мощность), которая в действительности питает нагрузку, определяется как:

В цепи переменного тока, если она чисто активная (резистивная), формула для мощности та же самая, что и для постоянного тока: P = U I.

Формулы для активной мощности

P = U I – в цепях постоянного тока

P = U I cosθ – в однофазных цепях переменного тока

P = √3 U_L I_L cosθ – в трёхфазных цепях переменного тока

P = √ (S 2 – Q 2 ) или

P =√ (ВА 2 – вар 2 ) или

Активная мощность = √ (Полная мощность 2 – Реактивная мощность 2 ) или

кВт = √ (кВА 2 – квар 2 )

Реактивная мощность (Q)

Также её мощно было бы назвать бесполезной или безваттной мощностью.

Мощность, которая постоянно перетекает туда и обратно между источником и нагрузкой, известна как реактивная (Q).

Реактивной называется мощность, которая потребляется и затем возвращается нагрузкой из-за её реактивных свойств. Единицей измерения активной мощности является ватт, 1 Вт = 1 В х 1 А. Энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля или электрического поля в случае, соответственно, индуктивности или конденсатора.

Реактивная мощность определяется, как

и может быть положительной (+Ue) для индуктивной нагрузки и отрицательной (-Ue) для емкостной нагрузки.

Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивный (вар): 1 вар = 1 В х 1 А. Проще говоря, единица реактивной мощности определяет величину магнитного или электрического поля, произведённого 1 В х 1 А.

Формулы для реактивной мощности

Реактивная мощность = √ (Полная мощность 2 – Активная мощность 2 )

квар = √ (кВА 2 – кВт 2 )

Полная мощность (S)

Полная мощность – это произведение напряжения и тока при игнорировании фазового угла между ними. Вся мощность в сети переменного тока (рассеиваемая и поглощаемая/возвращаемая) является полной.

Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока в цепи переменного тока называется полной мощностью.

Она является произведением значений напряжения и тока без учёта фазового угла. Единицей измерения полной мощности (S) является ВА, 1 ВА = 1 В х 1 А. Если цепь чисто активная, полная мощность равна активной мощности, а в индуктивной или ёмкостной схеме (при наличии реактивного сопротивления) полная мощность больше активной мощности.

Формула для полной мощности

Полная мощность = √ (Активная мощность 2 + Реактивная мощность 2 )

kUA = √(kW 2 + kUAR 2 )

Следует заметить, что:

• резистор потребляет активную мощность и отдаёт её в форме тепла и света.
• индуктивность потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме магнитного поля.
• конденсатор потребляет реактивную мощность и отдаёт её в форме электрического поля.

Все эти величины тригонометрически соотносятся друг с другом, как показано на рисунке:

Трансформатор является прибором, который призван преобразовывать электроэнергию сети. Эта установка имеет две или больше обмоток. В процессе своей работы трансформаторы могут преобразовать частоту и напряжение тока, а также количество фаз сети.

В ходе выполнения заданных функций наблюдаются потери мощности в трансформаторе. Они влияют на исходную величину электричества, которую выдает на выходе прибор. Что собой представляют потери и КПД трансформатора, будет рассмотрено далее.

Устройство

Трансформатор представляет собой статический прибор. Он работает от электричества. В конструкции при этом отсутствуют подвижные детали. Поэтому рост затрат электроэнергии вследствие механических причин исключены.

При функционировании силовой аппаратуры затраты электроэнергии увеличиваются в нерабочее время. Это связано с ростом активных потерь холостого хода в стали. При этом наблюдается снижение нагрузки номинальной при увеличении энергии реактивного типа. Потери энергии, которые определяются в трансформаторе, относятся к активной мощности. Они появляются в магнитоприводе, на обмотках и прочих составляющих агрегата.

Понятие потерь

При работе установки часть мощности поступает на первичный контур. Она рассеивается в системе. Поэтому поступающая мощность в нагрузку определяется на меньшем уровне. Разница составляет суммарное снижение мощности в трансформаторе.

Существует два вида причин, из-за которых происходит рост потребление энергии оборудованием. На них влияют различные факторы. Их делят на такие виды:

Их следует понимать, дабы иметь возможность снизить электрические потери в силовом трансформаторе.

Магнитные потери

В первом случае потери в стали магнитопривода состоят из вихревых токов и гистериза. Они прямо пропорциональны массе сердечника и его магнитной индукции. Само железо, из которого выполнен магнитопривод, влияет на эту характеристику. Поэтому сердечник изготавливают из электротехнической стали. Пластины делают тонкими. Между ними пролегает слой изоляции.

Также на снижение мощности трансформаторного устройства влияет частота тока. С ее повышением растут и магнитные потери. На этот показатель не влияет изменение нагрузки устройства.

Электрические потери

Снижение мощности может определяться в обмотках при их нагреве током. В сетях на такие затраты приходится 4-7% от общего количества потребляемой энергии. Они зависят от нескольких факторов. К ним относятся:

• Электрическая нагрузка системы.
• Конфигурация внутренних сетей, их длина и размер сечения.
• Режим работы.
• Средневзвешенный коэффициент мощности системы.
• Расположение компенсационных устройств.

Потери мощности в трансформаторах являются величиной переменной. На нее влияет показатель квадрата тока в контурах.

Методика расчета

Потери в трансформаторах можно рассчитать по определенной методике. Для этого потребуется получить ряд исходных характеристик работы трансформатора. Представленная далее методика применяется для двухобмоточных разновидностей. Для измерений потребуется получить следующие данные:

• Номинальный показатель мощности системы (НМ).
• Потери, определяемые при холостом ходе (ХХ) и номинальной нагрузке.
• Потери короткого замыкания (ПКЗ).
• Количество потребленной энергии за определенное количество времени (ПЭ).
• Полное количество отработанных часов за месяц (квартал) (ОЧ).
• Число отработанных часов при номинальном уровне нагрузки (НЧ).

Получив эти данные, измеряют коэффициент мощности (угол cos φ). Если же в системе отсутствует счетчик реактивной мощности, в расчет берется ее компенсация tg φ. Для этого происходит измерение тангенса угла диэлектрических потерь. Это значение переводят в коэффициент мощности.

Формула расчета

Коэффициент нагрузки в представленной методике будет определяться по следующей формуле:

К = Эа/НМ*ОЧ*cos φ, где Эа – количество активной электроэнергии.

Какие потери происходят в трансформаторе в период загрузки, можно просчитать по установленной методике. Для этого применяется формула:

П = ХХ * ОЧ * ПКЗ * К² * НЧ.

Расчет для трехобмоточных трансформаторов

Представленная выше методика применяется для оценки работы двухобмоточных трансформаторов. Для аппаратуры с тремя контурами необходимо учесть еще ряд данных. Они указываются производителем в паспорте.

В расчет включают номинальную мощность каждого контура, а также их потери короткого замыкания. При этом расчет будет производиться по следующей формуле:

Э = ЭСН + ЭНН, где Э – фактическое количество электричества, которое прошло через все контуры; ЭСН – электроэнергия контура среднего напряжения; ЭНН – электроэнергия низкого напряжения.

Пример расчета

Чтобы было проще понять представленную методику, следует рассмотреть расчет на конкретном примере. Например, необходимо определить увеличение потребления энергии в силовом трансформаторе 630 кВА. Исходные данные проще представить в виде таблицы.

Обозначение	Расшифровка	Значение
НН	Номинальное напряжение, кВ	6
Эа	Активная электроэнергия, потребляемая за месяц, кВи*ч	37106
НМ	Номинальная мощность, кВА	630
ПКЗ	Потери короткого замыкания трансформатора, кВт	7,6
ХХ	Потери холостого хода, кВт	1,31
ОЧ	Число отработанных часов под нагрузкой, ч	720
cos φ	Коэффициент мощности	0,9

На основе полученных данных можно произвести расчет. Результат измерения будет следующий:

% потерь составляет 0,001. Их общее число равняется 0,492%.

Измерение полезного действия

При расчете потерь определяется также показатель полезного действия. Он показывает соотношение мощности активного типа на входе и выходе. Этот показатель рассчитывают для замкнутой системы по следующей формуле:

КПД = М1/М2, где М1 и М2 – активная мощность трансформатора, определяемая измерением на входном и исходящем контуре.

Выходной показатель рассчитывается путем умножения номинальной мощности установки на коэффициент мощности (косинус угла j в квадрате). Его учитывают в приведенной выше формуле.

В трансформаторах 630 кВА, 1000 кВА и прочих мощных устройствах показатель КПД может составлять 0,98 или даже 0,99. Он показывает, насколько эффективно работает агрегат. Чем выше КПД, тем экономичнее расходуется электроэнергия. В этом случае затраты электроэнергии при работе оборудования будут минимальными.

Рассмотрев методику расчета потерь мощности трансформатора, короткого замыкания и холостого хода, можно определить экономичность работы аппаратуры, а также ее КПД. Методика расчета предполагает применять особый калькулятор или производить расчет в специальной компьютерной программе.

Многим из нас известна основная единица мощности – Ватт (Вт) или чаще используется его производная киловатт (кВт) и вы привыкли, что эта характеристика у электрооборудования указывается именно в них.

Но если взять трансформатор или приборы, в которых он является основным компонентом, например, стабилизаторы напряжения, вы увидите, что мощность там указана в кВА – киловольт-амперах.

Давайте разберемся, что такое кВА, почему именно в этих единицах измерения указывается мощность трансформатора и как она связана с обычными киловаттами.

Я не буду выкладывать здесь определения из учебников и сыпать физическими терминами, объясню коротко, простыми словами, чтобы было понятно любому.

В первую очередь, вы должны знать, что у некоторых электроприборов, работающих от переменного тока, не вся потребляемая мощность тратится на совершение полезной работы – нагрева, освещения, звучания, вращения и т.д.

Всего существует четыре основных типа нагрузок, которые могут подключаться в частности к трансформатору:

Резистивная

Ярким примером резистивной нагрузки является ТЭН, который нагревается при протекании через него электрического тока.

ТЭН – это обычное сопротивление, ему не важно в какую сторону протекает по нему ток, правило одно, чем сила тока больше, тем больше тепла вырабатывается – соответственно вся мощность тратится на это.

Мощность, которая тратится на резистивной нагрузке называется – активной , как раз она то и измеряется в кВт – киловаттах.

Индуктивная

Знакомым всем примером индуктивной нагрузки является электродвигатель, в нём не весь проходящий электрический ток тратится на вращения. Часть расходуется на создание электромагнитного поля в обмотке или теряется в медном проводнике, эта составляющая мощности называется реактивной .

Реактивная мощность не тратится на совершение работы напрямую, но она необходима для функционирования оборудования.

Кстати, индуктивные электрические плиты, которые так хотят заполучить многие домохозяйки, также используют реактивную мощность, в отличии от обычных электроплит, в которых нагреваются ТЭНы, те чисто резистивные.

Ёмкостная

Еще один пример реактивной составляющей мощности содержит ёмкостная нагрузка, это, например, конденсатор. Принцип работы конденсатора – накапливание и передача энергии, соответственно часть мощности тратится именно на это и напрямую не расходуется на работу оборудования.

Практическаи вся окружающая вас электроника и бытовая техника содержит конденсаторы.

Смешанная

Здесь всё просто, смешенная нагрузка сочетает в себе все представленные выше, активную и реактивные составляющие, большинство бытовых приборов именно такие.

Полная мощность электрооборудования, состоит как из активной мощности, так и из реактивной, и измеряется в кВА – киловольт-амперах . Именно она чаще всего указана в характеристиках трансформатора.

Производители трансформаторов не могут знать, какого типа нагрузка к ним будет подключена и где они будут задействованы, поэтому и указывают полную мощность, для смешенной нагрузки.

Так, если нагрузка трансформатора — это ТЭН, то полная мощность будет равна активной, соответственно значение в кВт = кВА, если же нагрузка будет смешенная, включающая реактивную составляющую, то мощность нагрузки должна учитываться полная.

Будьте внимательны, нередко, на электрооборудовании, например, на электроинструменте, мощность прописана в киловаттах, но кроме того указан коэффициент мощности k. В этом случае, вы должны знать простую формулу:

S (полная мощность)= P (активная мощность)/ k (коэффициент мощности)

Так, например, если мощность перфоратора P = 2,5кВт, а его коэффициент мощности k = 0,9, то полная мощность перфоратора будет равна S=2,5кВт/0,9=2,8 кВА, именно на столько он будет нагружать сеть.

Теперь, я думаю, вам понятно, почему мощность трансформатора измеряют в кВА, а не в кВт – это позволяет учитывать все виды нагрузок, которые могут подключаться к его вторичной обмотке.

Поэтому, обязательно учитывайте полную мощность указываемую в кВА или коэффициент мощности обордования, перед подключением к трансформатору.

Если же у вас еще остались какие-то вопросы – обязательно оставляйте их в комментариях к статье, кроме того, если есть что добавить, нашли неточности или есть, что возразить – также пишите!

Электрическая мощность. Активная и реактивная.. Статьи компании «ООО «ЭТК»

13 дек. 2018

Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Формулы электрической мощности, в цепи постоянного и переменного напряжение, разные.

Мощность в цепи постоянного напряжения.

В такой цепи у нас есть плюс и минус, если замкнуть эту цепь через какой-то потребитель электроэнергии и, зная напряжение и ток, который протекает при включенном потребителе электроэнергии, мы  можем узнать, какая мощность потребляется, умножив величину напряжения на величину тока

Мощность в цепи переменного напряжения.

Если при постоянном напряжении все достаточно просто: есть ток, напряжение, сопротивление. То в цепи переменного тока, Электрическая мощность может быть полной, активной и реактивной. А точнее говоря, активная и реактивная мощности являются составляющими полной мощности.

Активная мощность – это величина, которая характеризует процесс преобразования электроэнергии в какой-либо другой вид энергии. Другими словами, электрическая мощность, как бы, показывает скорость потребления электроэнергии. Это та мощность, за которую мы платим деньги, которую считает счетчик.

Активную мощность можно определить по такой формуле:

Если активная мощность – это, непосредственно, та энергия, которую потребляют электроприборы преобразуя ее в другой вид энергии, к примеру, в тепловую энергию или в свет, то реактивная мощность – это, своего рода, невидимый помощник.

Реактивная мощность используется для создания электромагнитных полей, такие вещи, как электродвигатели, к примеру, ее потребляют.  Но вообще, реактивная мощность, если можно так сказать, характеризует характер нагрузки . Она может как потребляться, так и генерироваться. 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.

Рассчитать ее можно по формуле:

 

Что такое активная и реактивная электроэнергия на счетчике

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

Рис. 1. Формулы

 

И здесь нет ни слова про реактивную составляющую.

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

 

Определения

Чтобы понять суть физических процессов начнём с определений.

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

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

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

Тут без примеров сложно понять процесс.

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Графики показателей

 

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

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

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

 

Как считается активная и реактивная электроэнергия

Большинство производителей счётчиков электроэнергии для предприятий реализуют простой алгоритм.

Q=(S² — P²)^1/2

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

Таким образом, производителю не обязательно организовывать полностью раздельный учёт.

 

Что такое cosϕ (косинус фи)

Ввиду того, что большой объем фактически паразитных реактивных токов нагружает сети поставщика электроэнергии, последние стимулируют потребителей снижать реактивную мощность.

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

Вычисляется он по формуле.

cosϕ = P_акт/P_полн

Где полная мощность – это сумма активной и реактивной.

Чем ближе показатель к единице, тем меньше паразитной нагрузки на сеть.

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

 

Применение компенсаторов реактивной мощности

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

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

• Ёмкостные;
• Индуктивные.

Автор: RadioRadar

Что такое мощность переменного электрического тока. Активная и реактивная мощность

Вторая четверть, T=4

Мгновенная мощность отрицательна: конденсатор отдаёт энергию. Эта энергия возвращается в цепь: она идёт на совершение работы против электрического поля внешней цепи (конденсатор как бы ¾продавливает¿ заряды в направлении, противоположном тому, в котором внешнее поле ¾хочет¿ их двигать).

3. Третья четверть, T=2

Ситуация полностью аналогична первой четверти, только знаки напряжения и тока противоположные. Мощность положительна: конденсатор вновь накапливает энергию.

4. Четвёртая четверть, 3T=4

Мощность отрицательна: конденсатор возвращает энергию в цепь. Ситуация аналогична второй четверти опять-таки с заменой заменой знаков тока и напряжения на противоположные.

Мы видим, что энергия, забранная конденсатором из внешней цепи в ходе первой четверти периода колебаний, полностью возвращается в цепь в ходе второй четверти. Затем этот процесс повторяется вновь и вновь. Вот почему средняя мощность, потребляемая конденсатором, оказывается равной нулю.

21 сентября 2017

В свое время Эдисон и Тесла были противниками в вопросе использования электрического тока в энергетике. Тесла считал, что необходимо использовать переменный ток, а Эдисон — что нужно применять постоянный ток. У второго ученого было больше возможностей, так как он занимался , однако Тесла в конечном итоге удалось победить, так как он был попросту прав.

Вступление

Переменный ток значительно эффективнее использовать для передачи энергии. Обсудим, как вычисляется мощность переменного тока, ведь переменный ток — это мощность, которая передается на расстоянии.

Вычисление мощности

Допустим, у нас имеется генератор переменного напряжения, который подключен к нагрузке. На выходе генератора, между двумя точками на клеммах, напряжение меняется по гармоническому , а нагрузка взята произвольная: катушки, активное сопротивление, конденсаторы, электромотор.

В цепи нагрузки течет ток, который меняется по гармоническому закону. Наша задача — установить, чему равна мощность потребляемой нагрузки от генератора. В распоряжении имеем генератор. В качестве исходных данных представлено направление на входе, которое будет меняться по гармоничному правилу:

Сила тока в нагрузке и, соответственно, в проводах, которые подводят мощность к нагрузке, будет меняться. Частота колебаний тока выйдет такая же, как частота колебаний напряжения, но существует также понятие сдвига фазы в промежутках колебаний тока и напряжения:

(I (t) = I (m) cos w t)

Дальнейшие вычисления

Показатели мощность будут равны произведению:

P (t) = I (t) U (t)

Этот закон остаётся справедливым как для переменного тока с мощностью, которую необходимо было вычислить, так и для постоянного.

(I (t) = I (m) cos (wt + J)

Мощность переменного тока при переменном токе вычисляется при помощи трех формул. Представленные выше расчеты относятся к основной формуле, которая вытекает из определения силы тока и напряжения.

Если участок цепи однородный и можно пользоваться законом Ома для этого участка цепи, здесь такие вычисления использовать нельзя, так как нам неизвестен характер нагрузки.

Определяем результат

Подставим показатели силы тока и напряжения в данную формулу, и тут нам на помощь придет знание тригонометрических формул:

cosa cosb = cos(a +b) + cos(a — b) / 2

Воспользуемся этой формулой и получим вычисления:

P(t) = I(m) U (m) cos (wt + J) cos wt

После упрощения результатов получим:

P(t) = I(m) U (m)/2 cos (wt + J) + I(m) U (m) cosJ

Посмотрим на эту формулу. Здесь первое слагаемое зависит от времени, меняясь по гармоническому закону, а второе является величиной постоянной. Мощность переменного тока при переменном токе складывается из постоянной и переменной составляющей.

Если мощность положительна, значит, нагрузка потребляет энергию от генератора. При отрицательной мощности, наоборот, нагрузка раскручивает генератор.

Найдем среднее значение мощности за период времени. Для этого работу, совершенную электрическим током, поделим на величину этого периода.

Мощность трехфазной цепи переменного тока- это сумма переменной и постоянной составляющих.

Активная и реактивная мощность

Многие физические процессы можно представить аналогиями друг друга. На этой базе постараемся раскрыть суть понятий активной мощности цепи переменного тока и реактивной мощности цепи переменного тока.

Стакан представляет собой электростанцию, вода — электроэнергию, трубочка — кабель или провод. Чем выше поднимается стакан, тем больше напряжение или давление.

Параметры мощности в сети переменного тока активного или реактивного типа зависят от тех элементов, которые потребляют такую энергию. Активная — энергия индуктивности и ёмкости.

Покажем это на конденсаторе, ёмкости и стакане. Активными называются те элементы, которые способны преобразовывать энергию в другой вид. К примеру, в тепло (утюг), свет (лампочка), движение (мотор).

Реактивная энергия

При имитации реактивной энергии напряжение увеличивается, и ёмкость заполняется. При уменьшении напряжения накопленная энергия возвращается по проводу обратно в электростанцию. Так повторяется циклически.

Сам смысл реактивных элементов заключается в накоплении энергии, которая потом обратно возвращается или используется для других функций. Но никуда не тратится. Основной минус этой производной в том, что виртуальный трубопровод, по которому как-бы идет энергия, имеет сопротивление, и на нем тратится процент экономии.

Полной мощности цепи переменного тока требуются затраты определенного процента усилий. По этой причине на крупных предприятиях идет борьба с реактивной составляющей полной мощности.

Активная мощность — это та энергия, которая потребляется или преобразуется в другие виды — свет, тепло, движение, то есть в какую-либо работу.

Опыт

Для опыта возьмем стакан, которые служит активной составляющей мощности. Он представляет часть энергии, которую необходимо потребить или преобразовать в другой вид.

Часть энергии воды можно выпить. Полная мощность переменного тока коэффициент мощности — это показатель, который складывается из реактивной и активной составляющих: энергии, текущей по водопроводу и той, которая преобразуется.

Как выглядит полная мощность в нашей аналогии? Часть воды выпиваем, а оставшаяся будет продолжать бежать по трубке. Так как у нас есть реактивный ёмкостной элемент — конденсатор или ёмкость, воду опускаем и начинаем имитировать увеличение и уменьшение напряжения. При этом видно, как вода перетекает в двух направлениях. Следовательно, в этом процессе применяется и активная, и реактивная составляющая. Вместе это — полная мощность.

Пре мощности

Активная мощность преобразовывается в другой вид энергии, к примеру, в механическое движение или нагрев. Реактивная мощность, которая накапливается в реактивном элементе, позднее возвращается назад.

Полная мощность — это геометрическая сумма активной и реактивной мощности.

Для произведения вычислений используем тригонометрические функции. Физический смысл расчетов такой. Возьмем прямоугольный треугольник, в котором одна из сторон равна 90 градусов. Одна из сторон — это его гипотенуза. Есть прилежащий и противолежащий относительно прямого угла катеты.

Косинус представлен , которое предопределяет длина прилегающего катета относительно длины гипотенузы.

Синусом угла является вид отношения, которое составляет длина противолежащего катета относительно гипотенузы. Зная угол и длину любой из сторон, можно вычислить все остальные углы и длину.

В данном треугольнике можно взять длину гипотенузы и прилежащего катета и вычислить этот угол с помощью тригонометрической функции косинусов. Мощность постоянного и переменного тока вычисляется с применением таких знаний.

Для вычисления угла можно применять обратную функцию от косинуса. Получим необходимый результат вычислений. Чтобы вычислить длину противолежащего катета, можно вычислить синус и получить соотношение противолежащего катета к гипотенузе.

Вычисление мощности цепи переменного тока по формуле предложено в этом описании.

В цепях постоянного тока мощность равна произведению напряжения на ток. В цепях переменного тока также работает это правило, но его трактовка будет не совсем правильной.

Индуктивность

Помимо активных элементов, действуют реактивные элементы — индуктивность и ёмкость. В цепях постоянного тока, где амплитудное значение напряжения токов не меняется во времени, работа данного сопротивления будет происходить только во времени. Индуктивность и ёмкость могут негативным образом влиять на сеть.

Активная мощность, которую имеет трехфазная цепь переменного тока, может выполнять полезную работу, а реактивная не выполняет никакой полезной работы, а только расходуется на преодоление реактивных сопротивлений индуктивности и ёмкости.

Попытаемся выполнить опыт. Возьмем источник переменного напряжения на 220 Вт с частотой 50Гц, датчик напряжения и тока источника, нагрузка, которая составляет активное 1Ом и индуктивное 1ОМ сопротивление.

Также есть выключатель, который подключится в определенный момент, активно-ёмкостная нагрузка. Запустим такую систему. Для удобства рассмотрения введем коэффициенты поправки напряжения.

Запускаем устройство

При запуске устройства видно, что напряжение и ток сети не совпадают по фазе. Наблюдается переход через 0, при котором существует угол — коэффициент мощности сети. Чем меньше этот угол, тем выше коэффициент мощности, который указывается на всех устройствах переменного тока, к примеру, электрических или сварочных трансформаторах.

Угол зависит от величины индуктивного сопротивления нагрузки. Когда сдвиг уменьшается, увеличивается ток сети. Представим, что сопротивление катушки уменьшить нельзя, но надо улучшить косинус сети. Для этого и нужны конденсаторы, которые, в отличие от индуктивности, опережают напряжение и могут взаимно компенсировать реактивную мощность.

В момент подключения конденсаторной батареи за 0,05 с происходит резкое снижение косинуса, практически до 0. Также идет резкое снижение тока, который без конденсаторной батареи имел амплитудное значение намного ниже, чем при включении конденсаторной батареи.

Фактически подключением конденсаторной батареи удалось снизить мощность тока, потребляемого из сети. Это является положительным моментом и позволяет снижать ток сети и экономить на сечение кабелей, трансформаторах, силовом оборудовании.

Если произойдет отключение индуктивной нагрузки и останется активное сопротивление, произойдет процесс, когда косинус сети после подключения конденсаторной батареи приведет к фазовому сдвигу и большому скачку тока, который идёт в сеть, а не потребляется из неё, что происходит в генераторном режиме реактивной мощности.

Итоги

Активная мощность опять остается постоянной и равна нулю, так как нет индуктивного сопротивления. Начался процесс генерации реактивной мощности в сеть.

Следовательно, компенсировать реактивную мощность на крупных предприятий, потребляемых колоссальные её объёмы из энергосистем, — это приоритетная задача, так как это позволяет экономить не только на электрооборудовании, но и на затратах по оплате самой реактивной мощности.

Такое понятие регламентируется, и предприятие оплачивает и потребляемую, и генерируемую мощность. Здесь устанавливаются автоматические компенсаторы, обеспечивающие поддержку баланса мощности на заданном уровне.

При отключении мощной нагрузки, если не выключить из сети компенсирующее устройство, будет происходить генерация реактивной мощности в сеть, что создаст проблемы в энергосистеме.

В быту компенсация реактивной мощности не имеет смысла, так как потребление мощности здесь значительно ниже.

Активная и реактивная мощность — понятия школьного курса физики.

Источник: fb.ru

Похожие материалы

Любой человек, выбравший работу с электротехникой своей профессией, должен очень хорошо разбираться в том, какие бывают источники электропитания, каковы их особенности и отличия. На самом деле ничего сложного нет, что мы и покажем в этой статье. Трудно представить, как бы выглядел современный мир, исчезни из него электрическая энергия и сопутствующ…

В статье вы узнаете, что такое электродвигатели переменного тока, рассмотрите их устройство, принцип действия, область применения. Стоит отметить, что сегодня в промышленности более 95 процентов всех используемых двигателей приходится на асинхронные машины. Они получили большое распространение в связи с тем, что у них высокая надежность, они могут служить…

Лишь немногие способны реально осознать, что переменный и постоянный ток чем-то отличаются. Не говоря уже о том, чтобы назвать конкретные различия. Цель данной статьи — объяснить основные характеристики этих физических величин в терминах, понятных людям без багажа технических знаний, а также предоставить некоторые базовые понятия, касающиеся данного…

Перед тем как приступить к производству продукции, любая компания должна иметь представление о том, какой доход она получит в результате реализации выпущенного товара. Для этого необходимо изучение потребительского спроса, разработка ценовой политики и сравнение предполагаемой выручки с величиной предстоящих расходов. Издержки производства пр…

Производство это такая деятельность человека, в результате которой он удовлетворяет свои материальные потребности. Поскольку природа не может предоставлять ему все необходимые блага в нужном количестве, он вынужден их производить. Из этого можно сделать вывод, что производство — это объективная необходимость. Потребности человека делятся на духовные…

Электрический ток является основным видом энергии, совершающим полезную работу во всех сферах человеческой жизни. Он приводит в движение разные механизмы, дает свет, обогревает дома и оживляет целое множество устройств, которые обеспечивают наше комфортное существование на планете. Поистине, этот вид энергии универсален. Из нее можно получить все что угод…

Электрические разъемы — это контактные элементы, с легкостью разъединяемые или соединяемые между собой без проведения специальных действий. Они могут быть однофазного и трехфазного типа. Предел использования последних составляет 380 вольт, в то время как однофазные могут применяться при напряжении не более 250 вольт. Штепсельная розетка выступает на…

Современные компьютерные технологии, информатика, мощность алфавита, системы исчисления и многие другие понятия имеют самые непосредственные связи между собой. Очень немногие пользователи сегодня достаточно хорошо разбираются в этих вопросах. Попробуем прояснить, что такое мощность алфавита, как ее вычислять и применять на практике. В дальнейшем это, вне…

Мощность в физике понимается как отношение совершаемой за определенное время работы к тому промежутку времени, за который она выполняется. Под механической работой подразумевается количественная составляющая воздействия силы на тело, из-за чего последнее перемещается в пространстве.Можно выразить мощность и как скорость передачи энергии. То есть он…

Что такое сила и мощность? В чем измеряется данный показатель, какие при этом используются приборы, и как названные физические величины применяются на практике, мы рассмотрим далее в статье.СилаВ м…

Энергия, поставляемая источником электродвижущей силы во внешнюю цепь, испытывает превращения в другие виды энергии. Если в цепи имеется только активное сопротивление, то вся энергия превращается в тепло, выделяемое на сопротивлении . Между током и напряжением сдвиг фаз отсутствует. Кроме того, в течение малого промежутка времени переменный ток можно рассматривать как постоянный. Поэтому мгновенная мощность, развиваемая переменным током на сопротивлении:

Хотя ток и напряжение бывают как положительными, так и отрицательными, мощность, равная их произведению, всегда положительна. Однако она пульсирует, изменяясь от нуля до максимального значения с частотой, равной удвоенной частоте переменного тока. На рис. 7.12 показана временная зависимость тока, напряжения и мощности переменного тока, выделяемой на активном сопротивлении. Ясно, что средняя передаваемая мощность меньше максимальной и равна половине максимальной мощности. Среднее значение и за период равно . Это можно объяснить следующим образом: , а за полный цикл среднее значение равно среднему значению . Поэтому среднее значение мощности будет равно

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

Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига.

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

1. Активной энергии

2. Реактивной энергии

1. Активная энергия 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 ).

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

РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

Известно, что в механической системе резонанс наступает при равенстве собственной частоты колебаний системы и частоты колебаний возмущающей силы, действующей на систему. Колебания механической системы, например колебания маятника, сопровождаются периодическим переходом кинетической энергии в потенциальную и наоборот. При резонансе механической системы малые возмущающие силы могут вызывать большие колебания системы, например большую амплитуду колебаний маятника.
В цепях переменного тока, где есть индуктивность и емкость, могут возникнуть явления резонанса, которые аналогичны явлению резонанса в механической системе. Полная аналогия – равенство собственной частоты колебаний электрического контура частоте возмущающей силы (частоте напряжения сети) – возможна не во всех случаях.
В общем случае под резонансом электрической цепи понимают такое состояние цепи, когда ток и напряжение совпадают по фазе, и, следовательно, эквивалентная схема цепи имеет место при определенном соотношении ее параметров r , L , C , когда резонансная частота цепи равна частоте приложенного к ней напряжения.
Резонанс в электрической цепи сопровождается периодическим переходом энергии электрического поля емкости в энергию магнитного поля и наоборот.
При резонансе в электрической цепи малые напряжения, приложенные к цепи, могут вызвать значительные токи и напряжения на отдельных участках. В цепи, где r , L , C соединены последовательно, может возникнуть резонанс напряжений, а в цепи, где r , L , C соединены параллельно, – резонанс токов .
Резона́нс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты собственных колебаний с частотой колебаний вынуждающей силы

резонансную частоту можно найти из выражения

,

где ; f — резонансная частота в герцах; L — индуктивность в генри; C — ёмкость в фарадах.

16. 1. Работа тока

Электрический ток, конечно же, не стал бы так широко использоваться, если бы не одно обстоятельство. Работу тока или же электроэнергию легко преобразовывать в любую нужную нам энергию или работу: тепловую, механическую, магнитную…

Для практического применения тока прежде всего хочется знать, какую работу можно обратить в свою пользу. Выведем формулу для определения работы тока:

Так как все величины, входящие в формулу, можно измерить соответствующими приборами (амперметр, вольтметр, часы), формула является универсальной.

Формулу можно также записать в несколько ином виде, используя закон Ома:

Если в исходную формулу для работы тока подставить силу тока, записанную таким образом, то получим:

Если же из закона Ома выразить напряжение, то тогда:

Использование этих формул удобно, когда в цепи присутствует какое-то одно соединение: параллельное для первого случая и последовательное для второго

Details 26 February 2017

Господа, всех вас в очередной раз приветствую! В сегодняшней статье я бы хотел поднять темы, касающиеся мощности и энергии (работы) в цепях переменного тока . Сегодня мы узнаем, что это такое и научимся их определять. Итак, погнали.

Прежде чем начать что-либо обсуждать про переменный ток, давайте-ка вспомним, как мы определяли мощность в случае постоянного тока . Да-да, у нас была отдельная статейка на эту тему, помните? Если нет, то напоминаю, что в случае постоянного тока мощность в цепи считается очень просто, по одной из этих трех замечательных формул:

где P — искомая мощность, которая выделяется на резисторе R;

I — сила тока в цепи через резистор R;

U — напряжение на резисторе R.

Это все здорово. Но как быть в случае переменного тока , а в частности — синусоидального? Ведь там у нас колбасится синус, значения тока и напряжения все время меняются, сейчас они одни, через мгновение — уже другие, т.е., выражаясь научным языком, они являются функциями времени. Пользуясь знаниями, полученными нами в предыдущей вводной статье , мы можем записать вот такой закон изменения силы тока:

Мы не будем сейчас повторять что здесь есть что, все это было досконально рассмотрено в прошлый раз .

Абсолютно аналогично можно записать зависимость напряжения от времени для переменного синусоидального тока

Пока что считаем, что у нас в цепи только резисторы (конденсаторы и индуктивности отсутствуют), следовательно, напряжение и ток совпадают по фазе между собой. Не понятно почему так? Ничего, в будущем разберем это подробно. Пока же для нас это значит только то, что фазы как в законе изменения тока, так и в законе изменения напряжения можно выкинуть.

И вот глядя на эти три строчки с формул и сопоставляя их между собой, не приходит ли вам на ум какая-либо идея? Например, что можно бы подставить ток или напряжение в формулу для мощности… Такая идея пришла? Это просто замечательно! Давайте ее сейчас же реализуем! Поскольку у нас и ток, и напряжения зависят от времени, все три полученные новые формула для мощности абсолютно также будет зависеть от времени.

Ох, прям в глазах рябит от синусов . Но ведь все довольно просто и очевидно откуда, что получилось, не так ли? По вот этим вот самым формулам можно рассчитать мгновенную мощность в определенный момент времени. Фишка в том, что если через резистор течет переменный ток, то в каждое мгновение времени на нем будет выделяться вообще говоря разная мощность : иначе и быть не может, раз амплитуда тока через резистор все время разная. Другое дело, что визуально, при большой частоте изменения тока, мы скорее всего это не заметим: температура резистора не будет хаотично скакать в такт изменения мощности, которая на нем выделяется. Это будет потому, что сам резистор благодаря его массе и теплоемкости синтегрирует эти перепады температуры.

Итак, с мощностью более-менее понятно. А как быть с энергией? Ну, то есть с теплом, которое выделяется на резисторе? Как оценить эту самую энергию? Для этого нам надо вспомнить, как же связаны между собой мощность и энергия. Мы уже затрагивали эту тему в статье про мощность в цепи постоянного тока . Тогда этот вопрос решился просто: при постоянном токе достаточно умножить мощность (которая там не зависит от времени и все время одинакова) на время наблюдения и получить выделяющуюся за это самое время наблюдения энергию. С переменным током все посложнее, потому что тут мощность зависит от времени. И, увы, тут не обойтись без интегралов… Что это вообще такое этот самый интеграл? Как, вероятно, многие из вас знают, интеграл — это просто площадь под графиком . В данном конкретном случае под графиком зависимости мощности от времени P(t) . Да, вот так вот все просто.

Итак, энергия (или работа, что по сути одно и то же) в цепи переменного тока считается следующим образом

В этой формуле Q — это искомая работа (энергия) переменного тока (измеряется все так же в джоулях), P(t) — закон изменения мощности от времени, а Т — собственно, сам отрезок времени, который мы рассматриваем, и в течении которого ток работает.

Вообще говоря, это выражение можно рассматривать как общий случай и для постоянного тока, и для переменного (при этом переменный ток может быть любой формы, не обязательно синусоидальный). Во всех эих случаях можно считать энергию через вот этот вот интеграл. Если же мы подставим сюда P(t)=const (случай постоянного тока), то исходя из особенности взятия интеграла от константы результат расчета будет абсолютно таким же, как если бы мы просто умножили мощность на время, поэтому нет никакого смысла так заморачиваться и рассматривать интегралы в теме постоянного тока. Но полезно это знать, что бы была некая единая картина. Сейчас же, господа, я прошу вас запомнить главный вывод из всей этой болтовни — если мы хотим найти выделившуюся энергия за время T (без разницы какой ток — постоянный или переменный), то это можно сделать, найдя площадь под графиком зависимости мощности от времени на интервале от 0 до Т.

Если брать токи синусоидальные и подставлять конкретные выражения для зависимости мощности от времени, то энергию можно посчитать по одной из следующих формул

Господа, скажу сразу, в своих статьях я не буду рассказывать, как брать интегралы. Я надеюсь, что вы это знаете. А если нет — ничего страшного, не спешите закрывать статью. Я буду стараться строить изложение таким образом, чтобы незнание интегралов не привело в вашем сознании к fatal error . Очень часто их вообще не требуется считать ручками, а можно посчитать в специализированных программах или даже онлайн на многочисленных сайтах.

Давайте теперь разберем все вышесказанное на конкретном примере. Господа, специально для вас я подготовил рисуночек 1. Взгляните на него. Изображение кликабельно.

Рисунок 1 — Зависимость мощности от времени для переменного и постоянного тока

Там два графика: на верхнем показана зависимость мощности от времени для случая переменного синусоидального тока, а на нижнем — для случая постоянного тока. Как я их построил? Очень просто. Для первого графика я взял вот эту ранее написанную нами формулу.

Будем полагать, что амплитуда синусоидального тока равна I m =1 A , сопротивление резистора, на котором рассеивается мощность, равно R=5 Ом , а частота синуса равна f = 1 Гц , что соответствует круговой частоте

То есть формула, по которой мы строим график мощности переменного тока, имеет вид

Именно по этой формуле построен верхний график на рисунке 1.

А как быть с нижним графиком? Господа, ну тут совсем все просто. Я исходил из того, что через тот же самый резистор R=5 Ом течет постоянный ток величиной I=1 А . Тогда, как должно быть понятно из закона Джоуля-Ленца , на данном резисторе будет рассеиваться вот такая вот мощность

Поскольку ток постоянный, то эта мощность будет одинаковой в любой момент времени. А для таких замечательнейших случаев эталонной стабильности великая и могучая математика предусматривает график в виде прямой. Что мы и видим на нижнем графике рисунка 1.

Понятное дело, что раз через наши пятиомные резисторы течет ток, то на них выделяется некоторая мощность и рассеивается некоторое количество энергии. Иными словами, резистор греется за счет выделяющейся на нем энергии. Мы уже обсуждали, что эта энергия считается через интеграл. Но, как мы уже говорили, есть и графическое представление этого интеграла — он равен площади под графиком. Эту площадь я заштриховал на рисунке 1. То есть, если мы найдем, чему равна площадь под верхним и нижним графиками, то мы определим, какое количество энергии выделилось в первом и втором случае.

Ну, с нижним графиком вообще все просто. Там — прямоугольник высотой 5 Вт и шириной 2 секунды. Поэтому площадь (то бишь энергия) находится элементарно

Отметим, что этот результат в точности совпадает с формулой, полученной нам для расчета энергии постоянного тока в одной из прошлых статей .

Со верхним графиком все не так просто. Там у нас неправильная форма и просто так сразу нельзя сказать, чему равна эта площадь. Вернее, сказать можно — она равна вот такому вот интегралу

Результат вычисления этого интеграла равен конкретному числу и это число — как раз наша искомая энергия, которая выделилась на резисторе. Мы не будем расписывать взятие этого интеграла. Посчитать такой интеграл ручками не составит труда для человека, хотя бы поверхностного знакомого с математикой. Если же все-таки это вызывает затруднение, или просто лень самому считать — есть огромное количество САПРа, которое сделает это за вас. Либо можно посчитать этот интеграл на каком-либо сайте: по запросу в гугле «интегралы онлайн» выдается достаточное количество результатов. Итак, сразу переходим к ответу и он равен

Вот так вот. Энергия, которая выделяется на резисторе при протекании синусоидального тока с амплитудой 1 А почти в два раза меньше энергии, которая будет выделяться в случае, если течет постоянный ток величиной 1 А. Оно и понятно — даже визуально на рисунке 1 площадь под верхним графиком заметно ниже, чем под нижним.

Как-то так, господа. Теперь вы знаете, как рассчитать мощность и энергию в цепи переменного тока. Однако сегодня мы рассмотрели довольно сложный путь. Оказывается, есть методы попроще, с использованием так называемых действующих величин тока и напряжения. Но об этом в следующей статье.

А пока что — всем вам огромной удачи, спасибо, что прочитали, и пока!

Вступайте в нашу

Как мы видели, в цепи синусоидального переменного тока, вообще говоря, возникает сдвиг по фазе между приложенным напряжением и током:

Мгновенная мощность. Сдвиг фаз зависит от соотношения между активным и реактивными сопротивлениями и тем самым от частоты Поскольку напряжение и ток в цепи изменяются с частотой , то при подсчете работы тока нужно рассматривать настолько малый промежуток времени чтобы значения напряжения и тока можно было считать постоянными:

Отсюда получается следующее выражение для мгновенной мощности тока:

Подставив сюда значения из (1), получаем

Воспользовавшись тригонометрическим тождеством

перепишем (4) в следующем виде:

Выражение для мгновенной мощности (5) состоит из двух слагаемых: одно из них не зависит от времени, а второе осциллирует с удвоенной частотой Это значит, что дважды за каждый период изменения приложенного напряжения изменяется направление потока энергии: в течение какой-то части периода энергия поступает в цепь от источника переменного напряжения, а в течение другой части возвращается обратно. Средний за период поток энергии положителен, т. е. энергия поступает в цепь от источника.

Средняя мощность. Действующие значения. Если интересоваться работой переменного тока за промежуток времени, сравнимый с периодом то в выражении (15) для мощности следует учитывать оба слагаемых. При вычислении работы, совершаемой током за промежуток времени, значительно превышающий период, вклад второго слагаемого будет пренебрежимо малым. В этом случае вместо (5) можно пользоваться выражением для средней мощности Р:

Часто эту формулу записывают в виде

где I и — так называемые действующие значения силы тока и напряжения, в раз меньшие соответствующих амплитудных значений:

Использование действующих значений вместо амплитудных удобно потому, что в нагрузке с чисто активным сопротивлением, где выражение (7) для мощности будет таким же, как и для постоянного тока.

Потери в линиях передачи. Потребителю обычно подается напряжение определенной величины поэтому одна и та же мощность Р будет потребляться при разных значениях тока в цепи I в зависимости от сдвига фазы между током и напряжением. При

малых значениях ток должен быть большим, что приводит к большим тепловым потерям в подводящих проводах линии передачи.

Если — сопротивление линии передачи, то рассеиваемая мощность тепловых потерь в линии равна . Выражая ток в цепи с помощью (7), для получаем

Для уменьшения потерь следует добиваться как можно меньшего сдвига фазы между током и напряжением в нагрузке.

Большинство современных потребителей электрической энергии синусоидального тока представляют собой нагрузки индуктивного характера, токи в которых отстают по фазе от напряжения источника питания. Эквивалентную схему такого потребителя можно изобразить в виде последовательно соединенных активного сопротивления и индуктивности (рис. 143а). Соответствующая векторная диаграмма показана на рис. 144а. Ток через нагрузку отстает от приложенного напряжения на определенный угол Потребляемая нагрузкой мощность согласно (7) равна

Рис. 143. Эквивалентная схема потребителя с индуктивной нагрузкой (а) и включение вспомогательного конденсатора для увеличения

Рис. 144. Векторные диаграммы для цепей, изображенных на рис. 143

Из этой формулы видно, что при напряжении такую же мощность можно было бы получить и при любом другом токе таком, что изображающий его вектор (показанный штриховой линией на рис. 144а) оканчивается на перпендикуляре опущенном из конца на направление так как при этом Но если то и при той же мощности тепловые потери в подводящих проводах будут меньше.

Уменьшение потерь. Как же добиться того, чтобы сдвиг фаз между напряжением и током в цепи уменьшился? Легко сообразить, что для этого можно подсоединить параллельно нагрузке вспомогательный конденсатор (рис. 1436). Векторная диаграмма в этом случае будет иметь вид, изображенный на рис. 144б. Векторы, изображающие приложенное напряжение и ток через нагрузку останутся неизменными, а полный ток в неразветвленной цепи, равный сумме токов через нагрузку и вспомогательный конденсатор, будет изображаться вектором Подбирая емкость конденсатора, можно добиться того, чтобы сдвиг по фазе принял заданное значение 9.

Из рис. 1446 видно, что длина вектора равна

Но и с помощью (10) находим Амплитудное значение тока в конденсаторе связано с амплитудным значением подаваемого напряжения формулой Подставляя в (11), находим

Таким образом, существует достаточно простой и эффективный способ снижения потерь в линиях передачи энергии переменного тока, связанных с реактивным характером сопротивления нагрузки: подключение конденсатора к индуктивной нагрузке позволяет получить равное нулю значение сдвига фаз 9.

Высоковольтные линии передачи. Но даже в том случае, когда сопротивление нагрузки является чисто активным и сдвиг фаз между напряжением и током отсутствует, т. е. тепловые потери в линии передачи все равно неизбежны. Можно ли их каким-либо способом уменьшить? Ответ на этот вопрос дает формула (9). Из нее видно, что при заданном значении передаваемой потребителю мощности Р уменьшить тепловые потери в линии можно, либо уменьшая сопротивление проводов линии передачи, либо повышая напряжение переменного тока, подаваемого потребителю. Уменьшение сопротивления линии в настоящее время возможно лишь до известных пределов, поэтому до создания эффективных сверхпроводящих линий электропередачи с потерями приходится бороться повышением напряжения.

Трансформатор. Для преобразования напряжения на электростанциях и у потребителей используются трансформаторы (рис. 145). Трансформатор имеет сердечник замкнутой формы из магнитомягкого (легко перемагничиваемого) материала, который несет на себе две обмотки: первичную и вторичную. Концы первичной обмотки (вход трансформатора) подключают к сети

переменного тока, а концы вторичной обмотки (выход) — к потребителю электрической энергии. ЭДС электромагнитной индукции, возникающая во вторичной обмотке, пропорциональна числу витков в ней.

Рис. 145. Трансформатор: общий вид, схематическое устройство и условное изображение на схемах

Поэтому, изменяя это число витков, можно изменять в широких пределах напряжение на выходе трансформатора.

Рассмотрим принцип действия трансформатора. Пусть сначала вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на первичную подается переменное синусоидальное напряжение. Это режим холостого хода. Как и всякую катушку индуктивности, первичную обмотку трансформатора можно рассматривать как последовательно соединенные индуктивность и активное сопротивление Напряжение на индуктивном сопротивлении первичной обмотки опережает по фазе ток и, следовательно, напряжение на ее активном сопротивлении на угол, равный Поэтому амплитудные значения поданного на первичную обмотку напряжения и напряжений на и связаны соотношением

Разумеется, непосредственно измерить и по отдельности невозможно, так как первичная обмотка, строго говоря, не есть последовательно соединенные индуктивность и активное сопротивление каждый элемент обмотки обладает одновременно индуктивностью и сопротивлением. Это так называемая цепь с распределенными параметрами. Но при расчете можно заменить реальную обмотку на цепь с сосредоточенными параметрами — катушку индуктивности и резистор, соединенные последовательно, поскольку через каждый элемент исходной цепи идет один и тот же ток.

Напряжение на индуктивности в каждый момент времени компенсирует возникающую в первичной обмотке ЭДС самоиндукции поэтому

Если весь магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки, целиком, т. е. без рассеяния, пронизывает вторичную

обмотку, то индуцируемая в каждом витке вторичной обмотки ЭДС будет такой же, как и в каждом витке первичной обмотки. Поэтому отношение электродвижущих сил в первичной и вторичной обмотках равно отношению чисел витков:

На выходе разомкнутой вторичной обмотки существует напряжение, равное индуцируемой в ней ЭДС:

Подставляя сюда из (15) и учитывая (14), получаем

Режим холостого хода. Таким образом, значение напряжения на разомкнутой вторичной обмотке трансформатора пропорционально не подаваемому на первичную обмотку напряжению а лишь напряжению на индуктивном сопротивлении первичной обмотки Отсюда сразу становится ясна роль сердечника трансформатора. В самом деле, из формулы (13) следует, что напряжение на индуктивности будет тем ближе к подаваемому на вход трансформатора напряжению чем больше будет индуктивное сопротивление первичной обмотки по сравнению с ее активным сопротивлением Наличие сердечника из материала с высокой магнитной проницаемостью приводит к многократному увеличению индуктивности . У такого трансформатора на холостом ходу Знак минус означает, что эти напряжения находятся в противофазе. Благодаря большому индуктивному сопротивлению первичной обмотки ток в ней при разомкнутой вторичной цепи мал.

Трансформатор под нагрузкой. При замыкании вторичной цепи трансформатора на некоторую нагрузку во вторичной обмотке появляется ток. Создаваемый этим током магнитный поток направлен так, что, согласно закону Ленца, препятствует изменению магнитного потока, создаваемого током в первичной обмотке. Если бы при этом ток в первичной обмотке остался неизменным, то это привело бы к уменьшению магнитного потока. Значит, включение нагрузки во вторичную цепь эквивалентно уменьшению индуктивности первичной цепи.

Но уменьшение индуктивного сопротивления немедленно приводит к увеличению тока в первичной обмотке, к уменьшению сдвига по фазе между напряжением и током и, следовательно, к увеличению потребляемой от внешней цепи мощности. Таким образом, если на холостом ходу трансформатор представляет собой почти чисто

индуктивное сопротивление, то по мере увеличения нагрузки трансформатора, т. е. тока во вторичной цепи, характер сопротивления первичной обмотки трансформатора становится ближе к активному.

Если потери энергии в самом трансформаторе малы, то на основании закона сохранения энергии потребляемая трансформатором мощность целиком передается нагрузке. Тогда с помощью (6) можно написать

где — сдвиги фаз между током и напряжением в первичной и вторичной цепях.

Приведенное выше рассмотрение работы трансформатора относится к идеализированному случаю трансформатора без потерь. В реальном трансформаторе всегда имеются потери, связанные с выделением джоулевой теплоты в обмотках, с токами Фуко, с необратимыми явлениями при перемагничивании сердечника и с рассеянием магнитного потока. Но в современных трансформаторах суммарные потери не превышают нескольких процентов от передаваемой мощности. Коэффициент полезного действия трансформаторов очень высок и лежит в пределах 95-99,5%.

Выпрямление переменного тока. Для многих практических применений необходимо преобразовать переменный синусоидальный ток в ток одного направления. Этой цели служат выпрямители, действие которых основано на односторонней проводимости ламповых и полупроводниковых диодов.

Понять действие выпрямителя можно, не вникая в физическую природу самого механизма односторонней проводимости.

Простейшая схема выпрямителя приведена на рис. 146а. Это однополупериодный выпрямитель, в котором ток через нагрузку течет только в течение одной половины каждого периода приложенного синусоидального напряжения.

Рис. 146. Схемы выпрямителей: однополупериодного (а), двухполупериодного (б) и с удвоением напряжения (в)

В мостиковой схеме выпрямителя, показанной на рис. 1466, ток через нагрузку идет в одном и том же направлении в течение обеих половин каждого периода. Но в таком двухполупериодном выпрямителе ток все-таки тоже пульсирует. Для сглаживания этих

пульсаций используют так называемые электрические фильтры, если требуется не только получить ток одного направления, но и постоянное напряжение.

В приведенных на рис. 146 а,б схемах максимальное значение напряжения на нагрузке (при идеальных диодах) равно амплитудному значению приложенного синусоидального напряжения. В показанной на рис. 146 в схеме выпрямителя напряжение на нагрузке практически вдвое больше амплитудного значения приложенного напряжения, если время разрядки конденсаторов через сопротивление нагрузки значительно превышает период Т синусоидального напряжения. Это так называемая схема с удвоением напряжения.

Задачи

1. Активное сопротивление первичной обмотки трансформатора составляет ее индуктивного сопротивления Какое напряжение будет на разомкнутой вторичной обмотке, имеющей вдвое больше витков, если первичную обмотку включить в сеть напряжением 220 В?

Решение. Напряжение на разомкнутой вторичной обмотке связано с напряжением на индуктивном сопротивлении первичной обмотки соотношением (17). Поэтому в рассматриваемом случае для действующих значений имеем дросселя, если сопротивление кипятильника (реактивная нагрузка) и

В каких случаях при расчете работы переменного тока можно пользоваться выражением (6) для средней мощности, а не выражением (5) для мгновенной мощности?

Каким образом можно уменьшить тепловые потери в линиях электропередачи, изменяя характер сопротивления нагрузки? Почему в сетях переменного тока потребитель энергии должен обладать практически активным в целом сопротивлением?

В чем преимущество использования линий высокого напряжения для передачи электроэнергии?

Какую роль в трансформаторе играет сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью? Почему железный сердечник трансформатора собирают из отдельных изолированных пластин?

Из формулы (17) следует, что коэффициент трансформации напряжения определяется отношением чисел витков Казалось бы, при отношении потери в трансформаторе будут тем меньше, чем меньше значения так как с увеличением числа витков растет активное сопротивление. Почему же у трансформаторов обмотки обычно содержат большое число витков?

Можно ли включать трансформатор в сеть постоянного тока?

Нарисуйте графики зависимости силы тока от времени в нагрузке выпрямителей, схемы которых показаны на рис. 146 а,б.

Объясните, почему в схеме выпрямителя на рис. 146 в происходит удвоение напряжения на нагрузке. Предложите схему выпрямителя, в котором на нагрузке происходило бы утроение напряжения.

Активная, реактивная и полная мощности пассивного двухполюсника

 

Разнообразие физических явлений, происходящих в элементах электрических цепей синусоидального тока, усложняет задачу формализации методов анализа этих цепей.

Рассмотрим режим работы источника напряжения, подключенного к пассивному двухполюснику. В общем случае пассивный двухполюсник можно представить эквивалентной схемой замещения в виде последовательного соединения двух элементов: с активным сопротивлением r и реактивным сопротивлением x. Элемент с активным сопротивлением — это резистивный элемент с сопротивлением r, а элемент с реактивным сопротивлением — это индуктивный элемент с индуктивным сопротивлением x_L = wL, если x > 0, или емкостной элемент с емкостным сопротивлением x_С = 1/wС, если x < 0.

Определим мгновенную мощность пассивного двухполюсника, равную мгновенной мощности источника ЭДС при напряжении и токе:

 

.

 

Мгновенная мощность равна:

 

 

Мгновенные значения тока, напряжения и мощности при индуктивном и емкостном характере комплексного сопротивления двухполюсника показаны на рисунках а) и б) соответственно:

 

 

Энергетический процесс в обоих случаях складывается из уже рассмотренных выше энергетических процессов для идеальных элементов. Часть электрической энергии источника поступает в двухполюсник и преобразуется в другие формы энергии. Другой частью энергии источник и двухполюсник периодически обмениваются.

Средняя мощность пассивного двухполюсника за период (равная средней мощности источника) определяется:

.

Угол сдвига фаз между напряжением и током зависит от параметров r и x. Последнее выражение определяет активную мощность двухполюсника и источника, которая зависит от действующих значений напряжения и тока, а также от cos j – коэффициента мощности.

Активная мощность двухполюсника измеряется ваттметром. У ваттметра две измерительные цепи, одна из которых включается последовательно с двухполюсником, то есть ток в этой цепи равен току I, протекающему через двухполюсник, а вторая – параллельно с двухполюсником (на его выводы), то есть напряжение в этой цепи равно напряжению U двухполюсника. Чтобы учесть знак угла сдвига фаз j между напряжением и током двухполюсника, измерительные цепи должны быть включены аналогично относительно положительных направлений тока и напряжения. Поэтому один из выводов каждой измерительной цепи имеет отличительное обозначение (как правило, *).

Из треугольников сопротивлений и треугольников напряжений пассивного двухполюсника следует, что коэффициент мощности равен:

.

Тогда можно получить другое выражение для активной мощности:

.

Произведение действующих значений напряжения между выводами источника U = E и тока источника I определяет полную мощность источника, равную полной мощности пассивного двухполюсника:

.

Размерности активной мощности и полной мощности совпадают, но для измерения полной мощности выбрана своя единица – вольт-ампер.

Для анализа энергетических процессов в цепи при неполном использовании энергетических возможностей источника вводится понятие о реактивной мощности источника:

.

Введение реактивной мощности позволяет правильно отобразить совокупность физических процессов, протекающих в реактивных цепях

Из треугольника сопротивлений пассивного двухполюсника следует, что

.

После замены sin j в формуле реактивной мощности получим другое выражение для расчета реактивной мощности:

.

Реактивная мощность пассивного двухполюсника может быть положительной и отрицательной в зависимости от знака угла j.

Нетрудно установить связь активной, реактивной и полной мощностей пассивного двухполюсника:

.

Это соотношение удобно интерпретировать геометрически на комплексной плоскости:

 

 

 

Такие треугольники называются треугольниками мощностей. Из подобия треугольников сопротивлений и мощностей следует, что

.

Стороны треугольника мощностей связаны между собой зависимостью:

,

где – комплексное сопряженное значение тока ,

S – комплексная мощность.

Узнать еще:

Анализ цепей

— Периодическая ли реактивная мощность? В чем точная разница между активной мощностью, средней мощностью и реальной мощностью?

Я буду говорить об идеальных случаях, когда нет гармоник, как я полагаю, вы говорите, учитывая ваше происхождение.

Это одно и то же: активная мощность, активная мощность и средняя мощность?

Активная мощность равна реальной мощности. А любая мощность мгновенная по своей природе, т.е.е. в любой момент времени он имеет ценность. Усреднение мгновенной мощности дает , среднее значение , и это среднее значение, как и мгновенное значение, может поступать от любой мощности.

Следовательно: активная мощность == активная мощность, и они относятся к конкретному типу мощности, в то время как среднее — это математическое среднее значение, выполненное для любой величины . Отсутствие усреднения означает мгновенное.

мы не видим учебников, в которых упоминается эта высокочастотная составляющая в реальной мощности / активной мощности.

Да, конечно, так как это часть самой природы умножения: есть два синуса, умноженные, что дает тригонометрический эквивалент \ $ \ cos (2 \ omega) \ $. Но среднее значение — это фиксированная, не колеблющаяся величина.

Они прямо говорят, что [???] и прямо дают только среднее значение как реальную / активную / среднюю мощность.

Кажется, вы пропустили несколько слов, но даже в этом случае часть, где «они» дают только средние значения, является частью, где только они имеют значение для счетчика или для анализа потока нагрузки.Помните, что счетчик выполняет усреднение по времени. В результате в конце выходит фиксированное число.

Указанная здесь реактивная мощность всегда имеет только высокочастотную составляющую.

Вы вводите себя в заблуждение, не продолжая вывод:

$$ \ begin {align} p (t) & = \ dfrac {V_pI_p} {2} \ {[1- \ cos (2 \ omega t)] \ cos (\ theta) + \ sin (2 \ omega t) \ sin (\ theta) \ } \ tag {1} \\ & = \ dfrac {V_pI_p} {2} [\ cos (\ theta) — \ cos (2 \ omega t) \ cos (\ theta) + \ sin (2 \ omega t) \ sin (\ theta)] \\ & = \ dfrac {V_pI_p} {2} [\ cos (\ theta) — \ cos (2 \ omega t + \ theta)] \ tag {2} \\ & = \ qquad {\ bar p (t)} \ qquad + \ qquad {\ tilde p (t)} \ tag {3} \ end {align} $$

Теперь вы можете видеть, что существует фиксированное значение \ $ \ cos (\ theta) \ $ и колеблющееся значение с удвоенной частотой, что естественно возникает при умножении двух синусов. 2} \ $.А S рассчитывается на основе действующих значений напряжения и тока. Это означает, что независимо от того, какое смещение существует, значения RMS будут разделены на \ $ \ sqrt2 \ $, и их умножение всегда будет составлять половину от пикового значения. Мгновенные значения будут иметь частоту вдвое больше основной, а их пики никогда не будут более чем вдвое больше \ $ \ bar S \ $. Например, если V = 3 и I = 2, S = 3 и пик никогда не будет выше или ниже ± 6. Здесь показано значение угла от 0 (синий) до π / [2,3,4,6 (красный)]):

, а в случае реальной мощности в энергосистеме мы будем говорить только о среднем значении реальной потребляемой мощности нагрузки и продолжении ее потока нагрузки?

Поток нагрузки предполагает поведение во времени, поэтому мгновенные значения здесь не имеют особого смысла.Следовательно, интерес представляют только величина и фаза, которые дают соответствующие средние значения.

В заключение, говоря о системах с гармониками, можно использовать те же рассуждения, что и выше. Для мгновенных значений смещение теперь относится только к одной гармонике, а полное гармоническое искажение (THD) имеет место для общего эффекта, в то время как для анализа нагрузки-расхода те же средние значения во времени делаются с помощью квадратного корня. суммы полномочий.

Анализ цепи

— Потребляют ли резисторы реактивную мощность?

Нет, резисторы потребляют только активную мощность.Также реактивная мощность не «потребляется» — она ​​сохраняется или возвращается.

Любой «комплексный ток», протекающий через резистор, вызовет на резисторе напряжение, пропорциональное этому току. Мощность, потребляемая резистором, будет равна \ $ | I | .R \ $, где \ $ | I | \ $ — величина тока. Ток, представленный в виде комплексного числа, также предоставляет информацию о фазе тока в зависимости от напряжения на частоте, которая не упоминается в вашем примере (она уже используется для определения реактивного сопротивления катушки индуктивности).

Комплексный ток в этом примере должен быть разделен на его действительную и реактивную части. Реальная часть протекает через резистор, а реактивная часть — через катушку индуктивности.

Это можно объяснить тем фактом, что ток, протекающий через резистор, не имеет фазового сдвига относительно напряжения на выводах резистора — и это напряжение само является напряжением источника.

Итак, мощность, потребляемая резистором, равна \ $ 63.6405 \ mathrm {W} \ $.

Если резистор и катушка индуктивности были бы включены последовательно, тогда ток не разделяется таким образом, но он все равно имеет ненулевую мнимую часть, потому что фаза тока будет сдвинута относительно напряжения источника. Резистор потреблял бы столько, сколько указано в первой части этого ответа, то есть \ $ 1340.60 \ mathrm {W} \ $. Фактически, в этом случае нам нужна только величина тока — его фаза не имеет значения.

Боковое примечание

Можно утверждать, что вопрос сформулирован не полностью, поскольку мы действительно не знаем, что такое эталон для тока.Мы предполагаем, что фаза привязана к выходному напряжению черного ящика, а не к внутреннему идеальному источнику напряжения черного ящика перед импедансом внутреннего источника черного ящика (который сам по себе может быть сложным). Если внутреннее напряжение является опорным, то нам нужна дополнительная информация о фазе выходного напряжения черного ящика (комплексное напряжение, например \ $ 5 \ mathrm {V} + j * .5 \ mathrm {V} \ $).

Как мы можем визуализировать активную реактивную и полную мощность как области во временной области?

Как мы можем визуализировать активную реактивную и полную мощность как области во временной области? — Обмен электротехнического стека

Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

2. 0
3. +0
6. Авторизоваться Зарегистрироваться

Electrical Engineering Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил 2 года, 5 месяцев назад

Просмотрено 516 раз

\ $ \ begingroup \ $

Что касается мощности переменного тока, питающей импеданс, можно ли построить пример зависимости V и I от времени для индуктивной нагрузки R + jwL и особенно мгновенной мощности на том же графике, где мы можем отметить / нарисовать три разные области для периода мощности где в одной области будет отображаться активная мощность, в другой — реактивная, а в третьей — полная мощность?

Вместо использования векторов я хотел бы вовремя увидеть области, соответствующие трем типам мощностей, а именно активной, реактивной и кажущейся.

Создан 16 мар.

user1999user1999

1,21011 золотых знаков1111 серебряных знаков2929 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 4 \ $ \ begingroup \ $

Я сделал что-то подобное с MS Excel.Увидеть ниже. Показанная отрицательная мощность представляет собой энергию, возвращаемую источнику в течение каждого полупериода. Равное количество энергии сверх того, что представлено средней мощностью, получено от источника в течение каждого полупериода. Я уверен, что что-то подобное можно сделать, чтобы более подробно показать, что происходит.

Создан 16 мар.

Чарльз КоуиЧарльз Коуи

34.8k11 золотой знак2525 серебряных знаков6161 бронзовый знак

\ $ \ endgroup \ $ 3 \ $ \ begingroup \ $

Чарльз получил для нас самое простое — настоящую силу. Реальная мощность — это просто напряжение, умноженное на ток в каждом случае (в каждой точке выборки). Для расчета реактивной мощности возьмите образцы напряжения из 1/4 цикла ранее (90 градусов) и умножьте на текущую выборку тока.Я только что подтвердил, что именно так EMTP-RV выполняет расчет с помощью своего измерителя q (t).

Чарльз, вероятно, может легко изменить свою электронную таблицу, чтобы сделать это — конечно, реактивные вычисления не будут производиться до тех пор, пока вы не соберете 1/4 цикла данных. Вы должны принять рабочую частоту (например, 60 Гц).

Ниже приведены результаты с использованием источника 120 В, подключенного к нагрузке (R + jX) сопротивлением (10 + j10) Ом.

Создан 18 мар.

релеман357релейман357

2,612111 золотой знак55 серебряных знаков1616 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $

Не тот ответ, который вы ищете? Посмотрите другие вопросы с метками мощность или задайте свой вопрос.

Электротехнический стек Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie Настроить параметры

Реактивная мощность — Continental Control Systems, LLC

Обзор

Реактивная мощность ( Q ) — это мнимая (не действительная) мощность от индуктивных нагрузок, таких как двигатель или емкостные нагрузки (реже).Обычно он измеряется в единицах VAR (реактивные вольт-амперы). Иногда реактивная мощность указывается в ваттах; это не совсем так, но не все устройства или программное обеспечение предлагают единицы VAR. Если реактивная мощность указывается в ваттах, преобразование из ватт в переменные происходит однозначно. Реактивная мощность НЕ включается в измерения реальной или активной мощности и энергии счетчиков WattNode. Измерители WattNode, которые сообщают о реактивной мощности, измеряют «основную реактивную мощность», которая не включает реактивные гармоники.

• Положительная реактивная мощность вызвана индуктивными нагрузками, такими как двигатели и трансформаторы (особенно при низких нагрузках).
• Отрицательная реактивная мощность вызвана емкостными нагрузками. Сюда могут входить балласты освещения, приводы с регулируемой скоростью для двигателей, компьютерное оборудование и инверторы (особенно в режиме ожидания).

Примечание: некоторые производители используют противоположные знаки и рассматривают отрицательную реактивную мощность как индуктивную.

См. Также

Определения

«… в научном сообществе нет единого мнения о концепции реактивной мощности в несинусоидальных условиях.Фактически, при наличии гармоник в напряжениях и / или токах обычное определение реактивной мощности больше не имеет смысла. ”—Антонио Каталиотти, Транзакции IEEE по доставке электроэнергии, т. 23, нет. 3 июля 2008 г.

Существует множество конкурирующих определений реактивной мощности, включая следующие (названные в честь первоначальных авторов):

• Будяну
• Фрайз
• Кастерс и Мур
• Пастух и Закихани
• Шарон / Чарнецкий
• Рабочая группа IEEE
• (из статьи в Википедии о вольт-амперной реактивности) VAR — это произведение среднеквадратичного напряжения и тока или полной мощности, умноженное на синус фазового угла между напряжением и током.

Реактивная мощность различных нагрузок

• Двигатель (без преобразователя частоты): реактивная мощность будет положительной и будет варьироваться от примерно такой же, как реальная мощность для полностью загруженного двигателя, до нескольких значений реальной мощности для слегка нагруженного двигателя. Коэффициент мощности асинхронного двигателя варьируется в зависимости от нагрузки:

Нагрузка двигателя,%	Коэффициент мощности
0	0.17
25	0,55
50	0,73
75	0,80
100	0,85

• Двигатель (с VSD): реактивная мощность будет небольшой и обычно отрицательной. Коэффициент смещения мощности обычно составляет 0,9 или выше.
• Люминесцентные лампы: коэффициент мощности старых светильников с магнитными балластами может варьироваться от 0.38 до 0,58. Современные электронные балласты с коррекцией коэффициента мощности могут превышать 0,98.
• Газоразрядные лампы: с магнитными балластами может иметь диапазон от 0,4 до 0,6, а электронные балласты с коррекцией коэффициента мощности могут превышать 0,95.
• Лампы накаливания: реактивная мощность составляет примерно –10% от реальной мощности, в результате чего коэффициент мощности составляет около 0,995. Мы полагаем, что это происходит из-за нагрева и охлаждения нити во время цикла переменного тока.
• Лампы накаливания с диммером: реактивная мощность изменяется от почти нуля до положительного значения, почти равного реальной мощности.Коэффициент мощности варьируется от 1,0 до 0,74.

---

Ключевые слова: кВАр

Что такое активная, реактивная и полная мощность?

Мощность, потребляемая нагрузкой для выполнения работы, называется истинной мощностью, или активной мощностью, или реальной мощностью. Когда электрическая энергия подается на нагрузку, электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии, такие как тепловая, механическая или химическая. Таким образом, мощность, фактически потребляемая электрической нагрузкой, называется активной мощностью. Нагреватель на 220 вольт, 400 ватт потребляет 400 ватт, когда на его резистивный элемент подается 220 вольт.Мощность в 400 Вт, потребляемая нагревателем, является реальной мощностью или активной мощностью. Активная мощность измеряется в киловаттах (кВт) или МВт.

Для расчета активной мощности рассчитывается ток, протекающий синфазно с приложенным напряжением.

Произведение напряжения и тока по фазе с напряжением дает реальную мощность или активную мощность.

Реактивная мощность

Мощность, которая течет от источника к нагрузке и от нагрузки к источнику, называется реактивной энергией.Реактивная энергия течет в обоих направлениях. Реактивная мощность измеряется в киловольт-амперах реактивной мощности (кВАр) или в МВАр.

Индуктивная нагрузка вызывает реактивное сопротивление по отношению к току и, следовательно, ток отстает от приложенного напряжения. Емкостная нагрузка вызывает реактивное сопротивление приложенному напряжению, и, таким образом, ток опережает приложенное напряжение. Сдвиг фаз между напряжением и током всегда существует, если нагрузка емкостного или реактивного типа.

Импеданс, создаваемый емкостной и индуктивной нагрузкой, вызывает поток энергии назад и вперед от источника к нагрузке и от нагрузки к источнику.В чистой индуктивной цепи ток отстает от напряжения на 90 электрических градусов. В чисто емкостной цепи ток опережает напряжение на 90 электрических градусов.

Активная мощность в случае чисто индуктивной и емкостной цепи VICosΦ = VI Cos90 = 0. Реактивная мощность в случае чисто индуктивной и емкостной цепи VISinΦ = VI Sin90 = VI.

Полная мощность

Если нагрузка не является ни резистивной, ни чисто реактивной, ток, потребляемый нагрузкой, имеет две составляющие тока.

Активная составляющая тока:

Ток, который находится в фазе с приложенным напряжением, называется активной составляющей тока. Активная или реальная потребляемая мощность нагрузки зависит от активной составляющей тока цепи.

Реактивная составляющая тока:

Ток, который на 90 градусов не совпадает по фазе с приложенным напряжением, называется реактивной составляющей тока или током без мощности.Реактивная составляющая тока вносит вклад в реактивную мощность.

Нагрузка, потребляющая активный или реактивный ток, общий ток системы будет увеличиваться. Следовательно, мощность электрической системы выражается в полной мощности, кВА или МВА. Система должна обрабатывать как активный, так и реактивный ток, поэтому система разработана с учетом полной мощности.

Пусть электрическая индуктивная нагрузка потребляет ток I и сдвиг фаз между напряжением и током равен Φ.

Активную, реактивную и полную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой, можно рассчитать следующим образом.

Активная составляющая тока в фазе с напряжением — это ICosΦ, а реактивная составляющая тока, не совпадающая по фазе с напряжением, — ISinΦ.

Активная мощность однофазной нагрузки

Активная мощность (P)

= Напряжение x Ток в фазе с напряжением

= V x ICos Φ

= V I Cos Φ

Активная мощность трехфазной нагрузки

Активная мощность (P)

= Напряжение x Ток в фазе с напряжением

= √3 Vx ICos Φ

= √3 В I CosΦ

Реактивная мощность однофазной нагрузки

Реактивная мощность (Q)

Q = Напряжение x Ток не в фазе с напряжением

= V x ISin Φ

= V I Sin Φ

Реактивная мощность трехфазной нагрузки

Реактивная мощность (Q)

Q = Напряжение x Ток не в фазе с напряжением

= √3V x ISinΦ

= √3 В I Sin Φ

Полная мощность — это векторная сумма активной и реактивной мощности.

Для однофазной сети полная мощность потребляемого кулачка выражается следующим математическим выражением.

Для трехфазной нагрузки полная мощность составляет;

Что такое реактивная мощность? — IBERDROLA

• Ниже
  15 кВт по тарифам 2.0A — 2.1A Счет производится только в том случае, если реактивная мощность превышает 50% от потребляемой активной мощности.
• Более
  15 кВт по тарифам 3.0A — 3.1A y 6.x Оплачивается только в том случае, если реактивная мощность превышает 33% от активной мощности.Он не применяется во внепиковый период (P3 ставки 3.X и P6 ставки 6.X).

Вы можете рассчитать потребление реактивной мощности, умножив избыточную реактивную мощность на Регулируемый заряд реактивной мощности, который определен в ITC / 688/2011 от 30 июня [PDF].

Под превышением реактивной мощности в каждый период действия тарифа доступа понимается более 33% от зарегистрированной активной мощности за этот же период.

Избыточная реактивная мощность i = RPEi — 0,33 * APi
RPEi: Реактивная мощность при записи в соответствующий период
APi: Активная мощность при записи в соответствующий период.
i: Тарифный период доступа.

Регулируемый заряд реактивной мощности (/ кВАрч) определяется коэффициентом мощности (cosφ), который измеряет количество реактивной мощности по отношению к общей мощности, и рассчитывается следующим образом:

Никаких затрат не применяется, если значение cosφ больше 0,95.
Однако стоимость будет 0,041554 / кВАрч, если cosφ находится в пределах от 0,95 до 0,80.
Стоимость составит 0,62332 / кВАрч, если cosφ меньше 0,80.

Соотношение между реактивной мощностью и активной мощностью также можно рассчитать следующим образом:

Cosφ = 0,8 означает, что реактивная мощность составляет 75% от активной мощности.
Cosφ = 0,95 0,95 означает, что реактивная мощность составляет 33% от активной мощности.

В счете за электроэнергию отображается надбавка за реактивную мощность следующим образом:

В этом примере счет за превышение реактивной мощности выставляется за два периода:

P1: выставление счета за 206,52 кВАр · ч с применением Cosφ менее 0,80, 0,062332 / кВАрч
P2: выставление счетов за 1,094,53 кВАрч с применением Cosφ менее 0,80, 0,062332 / кВАрч

Расчеты производились следующим образом:

Периоды P1 и P2 (рабочие дни) должны быть добавлены к периодам P4 и P5 (выходные) соответственно; без учета периодов P3 и P6.Таким образом:

2 415 0222

	Период 1	Период 2	Период 3	Итого Доплата
Активная мощность (кВтч)	256,00	1,259,00	145,00	1,259,00	145,00
Реактивная мощность (кВАрч)	291,00	1,510,00	103,00
Реактивная мощность, исключенная из счета (*) (кВАарч)	84,48	НЕТ
Реактивная мощность, НЕ исключенная из счета (эн кВАрч)	206,52	1,094,53	НЕТ
cosφ
, 64
Плата за выставление счетов за реактивную мощность (дюйм / кВАр · ч)	0,062332	0,062332
Плата за счет l: Плата за реактивную мощность x Реактивная мощность, НЕ исключенная из счета	12,87	68,22		81,09

(*), после чего считается превышением (т.е.е., Cosφ <0,95 = 33% от активной мощности)

Как я могу отказаться от выставления счетов за реактивную мощность?

Если вы устанавливаете батареи конденсаторов, вы можете исключить штраф за реактивную мощность в вашем счете, поскольку такие батареи снижают потребность в реактивной мощности от сети.

Дополнительные преимущества, предоставляемые конденсаторными батареями:

• Они сокращают потери на джоулевом эффекте (нагрев) в проводниках и трансформаторах, расположенных «выше по потоку» от конденсаторных батарей, что приводит к повышению энергоэффективности электрической системы.
• При установке на объектах с силовыми трансформаторами (высоковольтные потребители) они увеличивают доступную мощность во вторичной обмотке.

Iberdrola предоставляет этим банкам услугу установки «под ключ», чтобы клиенту не приходилось ни о чем беспокоиться.

Реактивная мощность и требования к соединениям для фотоэлектрических и ветряных электростанций

Автор: Sandia National Laboratories ^[1]

Содержание

Фон

Напряжение в магистральной системе Северной Америки обычно регулируется операторами генераторов, которым обычно предоставляются графики напряжения от операторов системы передачи.В прошлом электростанции с регулируемой генерацией считались очень небольшими по сравнению с обычными генерирующими установками и, как правило, представляли собой либо индукционные генераторы (ветряные), либо инверторы с коммутацией линий (PV), которые не имели встроенной способности регулирования напряжения. Регулирование напряжения в основной системе обеспечивалось почти исключительно синхронными генераторами. Однако растущий уровень проникновения нетрадиционной возобновляемой генерации, особенно ветровой и солнечной, привел к необходимости того, чтобы возобновляемая генерация вносила более значительный вклад в напряжение энергосистемы и регулирование реактивной мощности.По большей части новые ветряные электростанции используют асинхронные генераторы с двойным питанием или машины полного преобразования с самокоммутируемыми электронными интерфейсами, которые обладают значительной динамической реактивной способностью и возможностью регулирования напряжения. Если необходимо выполнить требования к межсетевому соединению, реактивная мощность солнечных и ветряных электростанций может быть дополнительно увеличена путем добавления статического компенсатора реактивной мощности (SVC), статических компенсаторов (STATCOMS) и другого реактивного вспомогательного оборудования на уровне станции. Следует отметить, что преобразователи должны быть больше по размеру, чтобы обеспечивать реактивную мощность на полной мощности.В настоящее время реактивная способность на основе инвертора более дорогостоящая по сравнению с такой же способностью, обеспечиваемой синхронными машинами. Частично по этой причине Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) в Приказе 661A (применимом к ветрогенераторам) предусмотрела, что оператор передачи должен провести исследование на конкретном участке, чтобы обосновать требование реактивной способности с задержкой до 0,95, чтобы опередить в точке. взаимосвязи. Ожидается, что для солнечных фотоэлектрических систем в ближайшем будущем будут сформулированы аналогичные требования к межсоединениям для диапазона коэффициента мощности и сквозного прохода низкого напряжения.Инверторы, используемые для солнечных фотоэлектрических и ветряных электростанций, могут обеспечивать реактивную способность при частичной выходной мощности, но любая реактивная способность инвертора на полной мощности подразумевает, что преобразователь должен иметь больший размер, чтобы выдерживать полный активный и реактивный ток.
Тем не менее, ресурсы переменной генерации, такие как ветровые и солнечные фотоэлектрические системы, часто расположены в удаленных местах со слабыми линиями передачи. Для ветряных парков и солнечных фотоэлектрических станций нередки коэффициенты короткого замыкания (т. Е. Отношения мегавольт-ампер (МВА) трехфазного короткого замыкания, деленные на номинальную мощность электростанции в МВА) не более 5.Поддержка напряжения в таких системах является жизненно важной вспомогательной услугой для предотвращения нестабильности напряжения и обеспечения хорошей передачи мощности.
Регулирование напряжения в распределительных системах обычно выполняется на уровне распределительной подстанции, а регулирование напряжения распределения распределенными ресурсами не допускается IEEE 1547. Обычно распределенные ресурсы работают с фиксированным коэффициентом мощности по отношению к локальной системе.

Реактивная способность синхронных генераторов

Обычно, когда реактивная способность ресурсов переменного генерирования указывается для соединений передачи, это делается в точке соединения (POI), которая является точкой, в которой мощность доставляется в систему передачи.Это часто (но не всегда) на стороне высокого напряжения главного трансформатора объекта. Типичным требованием будет отставание 0,95 для опережающего коэффициента мощности в точке POI, что означает, что машина должна быть способна впрыскивать или поглощать эквивалент примерно 1/3 своей активной мощности (МВт) в качестве реактивной мощности (МВАр). Это отставание от опережающей спецификации возникло из приказа FERC 2000 (Соглашение о межсетевом соединении крупных генераторов) и было предложено Североамериканской корпорацией по надежности электроснабжения (NERC) в качестве типичного примера возможности синхронного генератора.На самом деле синхронные генераторы почти всегда применяются с коэффициентом мощности, измеренным на клеммах, а не в точке POI. Обычная реактивная мощность синхронного генератора обычно описывается «кривой D», которая охватывает диапазон от нуля до номинальной выходной мощности. Однако следует отметить, что синхронные генераторы ограничены минимальной нагрузочной способностью генерирующей установки. Некоторые обычные генераторы предназначены для работы в качестве синхронных конденсаторов, что позволяет им обеспечивать реактивную мощность при нулевой нагрузке, но они по-прежнему не могут работать между нулевой и минимальной нагрузкой.Способность обеспечивать реактивную мощность при нулевой нагрузке должна быть предусмотрена в установке, и это невозможно для многих более крупных проектов. Значение вышеизложенного состоит в том, что практическая реактивная мощность типичного синхронного генератора более ограничена, чем показывает типичная «D-кривая».

Если допустить незначительную вспомогательную нагрузку, соответствующий коэффициент мощности на интерфейсе передачи может быть легко вычислен с учетом коэффициента мощности генератора на клеммах и реактивного сопротивления повышающего трансформатора генератора.Как правило, генератор с реактивной способностью 0,9 запаздывания, опережение 0,983 (измерено на выводах генератора), подключенный к системе передачи через трансформатор с реактивным сопротивлением рассеяния 14% на базе MVA генератора, может обеспечить опережение 0,95 на передаче. интерфейс, если система передачи работает при номинальном (т. е. 100%) напряжении.

Типичные спецификации для синхронных генераторов требуют отставания 0,90 (чрезмерное возбуждение) и опережения 0,95 (недостаточное возбуждение) на клеммах машины, чтобы обеспечить регулирование напряжения в диапазоне напряжения передачи в пределах от 90% до 110% от номинального.Синхронные генераторы имеют максимальное постоянное напряжение 105% и минимальное постоянное напряжение 95%. В зависимости от напряжения системы и выходного уровня генератора эти ограничения могут вступить в силу, и в этом случае реактивная мощность будет снижена. Например, на рисунке слева показана допустимая реактивная мощность в точке POI для синхронного генератора при номинальной мощности с типичной реактивной способностью от 0,90 до 0,95 опережения на клеммах машины, подключенных к системе на 14% (на генераторе MVA base) повышающий трансформатор реактивного сопротивления.Обратите внимание, что диапазон коэффициента мощности при перегрузке в точке POI составляет примерно 0,95 запаздывания для напряжения системы при номинальном или ниже, но резко падает при напряжениях выше номинала. Точно так же диапазон коэффициента мощности при недовозбуждении в точке POI на самом деле близок к -0,9 опережения (то есть Q = 0,48 x P) для напряжений выше 100% от номинала, но возможности снижаются для напряжений системы ниже номинала.
Спецификация отставания 0,95 для опережения при полной мощности обычно оговаривается для переменной генерации. Однако ограничения напряжения на клеммах также влияют на реактивную мощность генераторов переменной мощности; поэтому, чтобы зафиксировать этот эффект, зависимость реактивной мощности от напряжения следует указывать отдельно от реактивного диапазона.Например, в дополнение к требованию запаздывания для опережения диапазона реактивной мощности 0,95, диаграмму, показанную на рисунке справа, можно использовать для определения реактивной мощности в зависимости от характеристики напряжения.

Реактивная способность или требования к ветровым и солнечным фотоэлектрическим генераторам

В

фотоэлектрических генераторах и некоторых типах ветряных генераторов используются преобразователи энергии. Реактивная способность преобразователей отличается от реактивной способности синхронных машин, поскольку они обычно не ограничиваются мощностью, как синхронные машины, а ограничиваются внутренними ограничениями по напряжению, температуре и току.

Реактивная мощность ветрогенераторов

Ветрогенераторы с интерфейсом преобразователя часто рассчитаны на работу от 90% до 110% номинального напряжения на клеммах. Диапазон запаздывающего коэффициента мощности может уменьшаться по мере увеличения напряжения на клеммах из-за внутренних ограничений напряжения и может уменьшаться при уменьшении напряжения на клеммах из-за ограничений по току преобразователя. Опережающая способность обычно увеличивается с увеличением напряжения на клеммах. Эти характеристики также применимы к фотоэлектрическим инверторам.Ветрогенераторы с двойным питанием и с полным преобразователем часто продаются с характеристиками реактивной способности «треугольной», «прямоугольной» или «D-образной». Это представляет реактивную мощность отдельных ветряных генераторов или фотоэлектрических инверторов.
Машины с прямоугольной или D-образной характеристикой реактивной способности могут использоваться для обеспечения услуги регулирования напряжения, когда они не вырабатывают активную мощность (например, в условиях низкой скорости ветра для ветрового ресурса или ночью для фотоэлектрического ресурса или во время свертывания) при работе в режиме СТАТКОМ.Однако эта возможность может быть недоступна или не включена по умолчанию. В отличие от генераторов ветряных турбин с двойным питанием или с полным преобразователем, индукционные ветрогенераторы без преобразователей не могут управлять реактивной мощностью. В установившемся режиме они поглощают реактивную мощность, как и любые другие индукционные машины. Обычно конденсаторы с механической коммутацией устанавливаются на клеммах ветрогенератора для корректировки коэффициента мощности до единицы. Несколько конденсаторных каскадов используются для поддержания коэффициента мощности, близкого к единице, во всем диапазоне выходных сигналов.

Реактивная мощность фотоэлектрических инверторов

Фотоэлектрические инверторы

имеют такую ​​же технологическую конструкцию, что и ветряные генераторы с полным преобразователем, и все чаще продаются с аналогичной реактивной мощностью. Однако исторически фотоэлектрические инверторы были разработаны для использования в распределительной системе, где применимые стандарты межсоединений (IEEE 1547) в настоящее время не позволяют регулировать напряжение. Инверторы для этого приложения предназначены для работы с единичным коэффициентом мощности и продаются с номинальной мощностью в киловатт (кВт), а не с мощностью в киловольт-ампер (кВА).Подобно инверторным ветряным генераторам, фотоэлектрические инверторы обычно рассчитаны на работу в пределах от 90% до 110% номинального напряжения на клеммах. Реактивная мощность инвертора, насколько она доступна, зависит от напряжения на клеммах. Кроме того, входное напряжение постоянного тока может также влиять на реактивную мощность при использовании одноступенчатых инверторов. Например, низкое значение точки максимальной мощности (MPP) может уменьшить запаздывающую реактивную мощность. С увеличением использования фотоэлектрических инверторов в сети электропередач отрасль движется к способности обеспечивать реактивную мощность.Некоторые фотоэлектрические инверторы могут поглощать или вводить реактивную мощность, если это необходимо, при условии, что номинальные значения тока и напряжения на клеммах не превышаются. Учитывая, что стоимость инвертора связана с номинальным током, обеспечение реактивной мощности на «полной мощности» означает, что инвертор должен быть больше для того же номинального значения МВт установки, что требует более высоких затрат по сравнению с существующей отраслевой практикой. На рисунке справа показана реактивная способность инвертора, основанная только на ограничениях по току. Исходя из исторической отраслевой практики, этот инвертор будет рассчитан на работу с единичным коэффициентом мощности (P1).Инверторы могут вырабатывать или поглощать реактивную мощность, когда они работают на уровнях мощности ниже P1 (например, P2). Однако в ответ на недавние сетевые нормы, такие как немецкий BDEW, все больше производителей фотоэлектрических инверторов «занижают» свои инверторы и теперь предоставляют мощность как в кВт, так и в кВА. В принципе, инверторы также могут обеспечивать поддержку реактивной мощности при нулевой мощности, аналогично STATCOM. Однако эта функциональность не является стандартной в отрасли. Фотоэлектрические инверторы обычно отключаются от сети в ночное время, и в этом случае мощность реактивной мощности инвертора недоступна.Эта практика, конечно, может быть изменена, если условия площадки диктуют использование реактивной способности в периоды, когда генерация обычно находится в автономном режиме.

Реактивная способность установок переменной генерации

Требования к реактивной мощности для соединения указываются в точке интереса. Это важное соображение для ветряных и солнечных электростанций. Прежде всего, это означает, что при проектировании станции можно рассмотреть несколько технических вариантов для удовлетворения требований к межсетевым соединениям.Технически, установка с инверторными ветряными или солнечными генераторами может полагаться на инверторы для обеспечения части или всего необходимого диапазона реактивной мощности в точке интереса. Может быть более экономичным использовать внешние статические и динамические устройства, такие как STATCOM, SVC или конденсаторы с механической коммутацией (MSC). Требуемый дополнительный объем реактивной поддержки зависит от реактивной способности отдельных ветряных генераторов фотоэлектрических инверторов и от того, как она используется. Иногда требуется внешняя динамическая реактивная поддержка, чтобы обеспечить соблюдение требований к постоянному напряжению.
В периоды низкой ветровой или солнечной активности некоторые генераторы на станции могут быть отключены от сети. Напряжение постоянного тока для солнечных фотоэлектрических инверторов может ограничивать реактивную мощность инверторов. Это следует учитывать при определении мощности реактивной мощности для электростанций с регулируемой производительностью. Ниже определенного уровня выходного сигнала имеет смысл, чтобы в спецификации был указан диапазон пониженного коэффициента мощности или допустимый диапазон в МВАр.
Требования к межсетевым соединениям часто применяются к ветряным электростанциям, подключенным к линиям электропередачи.В случае фотоэлектрических систем требование поддерживать диапазон реактивной мощности на полной мощности представляет собой изменение по сравнению с исторической отраслевой практикой. Это влияние на стоимость может быть значительным, если фотоэлектрическая установка полагается на фотоэлектрические инверторы для обеспечения части или всей необходимой реактивной мощности на уровне предприятия. На рисунке справа показана кривая реактивной мощности для работы с единичным коэффициентом мощности на основе фотоэлектрической установки (красная линия) и ее сравнение с «треугольной» реактивной мощностью (синяя линия), которая обычно указывается для межсоединений передачи.В этом случае фотоэлектрическая установка не будет соответствовать требованиям на полной мощности без увеличения мощности инвертора, снижения номинальных характеристик установки или установки внешних устройств поддержки реактивной мощности. Для достижения диапазона коэффициента мощности 0,95 отставания для опережения точки POI при номинальной выходной мощности установки с использованием только инверторов, общая номинальная мощность инвертора должна увеличиться на целых 10% с учетом реактивных потерь. Следует отметить, что как фотоэлектрические установки, так и инверторные ветряные установки технически способны обеспечивать реактивную способность на полной мощности.Разница в том, что такое требование является новым для солнечной отрасли по сравнению с ветроэнергетикой.
Требование, обозначенное синей кривой, может не требоваться для всех фотоэлектрических станций, подключенных к передаче. Учитывая, что большинство фотоэлектрических станций относительно малы и выходная мощность является переменной, работа по красной кривой или с единичным коэффициентом мощности может быть столь же выгодна для системы, как и работа по синей кривой. В периоды, когда этого требуют системные условия, этим установкам можно было бы дать указание снизить выходную активную мощность, чтобы можно было поддерживать диапазон реактивной мощности.
В дополнение к описанной выше зависимости реактивной способности от уровня выходного сигнала, полная спецификация должна учитывать ожидаемую реактивную способность в условиях напряжения, отличного от номинального.

Статическая и динамическая реактивная способность

Обеспечение динамической реактивной способности может иметь финансовые последствия, отличные от статической реактивной способности, и поэтому должно быть указано отдельно. Некоторые сетевые коды определяют как динамический диапазон, так и общий диапазон реактивной работы.Например, код сетки может указывать динамический диапазон отставания 0,95 для опережения и общий диапазон от 0,90 до 0,95 опережения, указывая на необходимость плавной и быстрой работы между отставанием 0,95 и опережением 0,95, но с учетом некоторой временной задержки для запаздывания. коэффициенты мощности ниже 0,95. Динамическая реактивная способность преобразователей может быть обеспечена почти мгновенно, аналогично синхронным машинам, почти мгновенно (т. Е. В пределах цикла) реагируя на изменения напряжения системы, чтобы поддерживать систему во время переходных процессов, таких как короткие замыкания, коммутационные скачки. , так далее.Конденсаторы или реакторы постоянной емкости могут использоваться для смещения динамической реактивной способности в сторону отстающей или опережающей стороны, соответственно, по мере необходимости. Если имеется недостаточная динамическая реактивная способность, доступная из ресурсов генерации переменных, может возникнуть необходимость дополнить ресурсы генерации переменных с помощью SVC или STATCOM.
Нединамические источники реактивной энергии, такие как дополнительные механически переключаемые конденсаторы или реакторы, могут быть установлены для увеличения общей (но не динамической) реактивной способности.Время отключения находится в диапазоне циклов, а не секунд. Однако после отключения конденсаторы не могут быть повторно вставлены без предварительной разрядки (если не используется синхронное переключение). Обычно разрядка занимает пять минут. Трансформаторы с быстрой разрядкой могут применяться для разрядки за несколько секунд. Хорошая инженерная практика требует рассмотрения работы переключаемых реактивных ресурсов. Например, иногда требуется, чтобы запаздывающая реактивная способность вводилась в действие как функция переменной выходной мощности, независимо от состояния напряжения в системе.Оператор передачи может потребовать, например, чтобы конденсаторы были введены в эксплуатацию для компенсации реактивных потерь передачи всякий раз, когда мощность ветряного парка превышает 90% от номинальной мощности. Если напряжение в системе высокое и турбины уже работают с максимальным пределом коэффициента мощности, включение конденсаторов может вызвать высокое переходное и установившееся перенапряжение, которое может привести к отключению турбины и другим эксплуатационным трудностям. Может потребоваться отрегулировать отводы трансформатора для смещения напряжений турбины в безопасном направлении, если такая операция необходима.

Эксплуатационные соображения

Реактивная способность систем передачи обычно реализуется в режиме регулирования напряжения. Оператор системы передачи предоставляет график напряжения, и ожидается, что генератор (обычная или переменная генерация) отрегулирует реактивную мощность, чтобы поддерживать напряжение близко к уровню уставки. Обычно это делается путем регулирования напряжения на клеммах ресурса на стороне низкого напряжения главного трансформатора ресурса. Другой появляющейся практикой является регулировка реактивного выхода в соответствии с характеристикой «реактивного спада» с использованием передаваемого напряжения.Обычно используется реактивное падение в диапазоне от 2% до 10%. Типичное падение на 4% просто означает, что ресурс будет регулировать реактивный выход линейно с отклонением от запланированного напряжения, так что полная реактивная способность раскрывается, когда измеренное напряжение отклоняется от запланированного напряжения более чем на 4%. Отклонение в 1% приводит к развертыванию 25% доступной реактивной мощности и т. Д. Отклонение напряжения меньше предела зоны нечувствительности не потребует ресурсов для изменения выходной реактивной мощности.
Спецификации требования к реактивному спаду (например, зона нечувствительности отклика на спад вместе со временем реакции на изменения напряжения) могут привести к требованиям к динамической поддержке реактивной мощности, а также к потенциально быстродействующему поведению контроллера установки. Возможность реактивного спада — это новая возможность для солнечных фотоэлектрических станций, хотя нет никаких технических препятствий для реализации таких схем управления. Отдельные ветряные генераторы и солнечные фотоэлектрические инверторы обычно следуют уставке коэффициента мощности или реактивной мощности.Уставку коэффициента мощности можно отрегулировать с помощью регулятора напряжения / мощности на уровне предприятия, что позволяет генераторам участвовать в управлении напряжением. В некоторых случаях относительно медленный интерфейс связи (порядка нескольких секунд) инверторов ограничивает время отклика реактивной мощности.
Реактивные спады менее 2% для регулирования напряжения в системе передачи — это, по сути, «взрывные» регуляторы напряжения, которые могут вызывать колебания, вызывать чрезмерно быстрые колебания напряжения и истощать реактивные резервы на случай непредвиденных обстоятельств.Они могут быть необходимы в некоторых слабых системах, но их по возможности следует избегать. Для крупных электростанций, подключенных к системе передачи, управление реактивной мощностью (фиксированная Q) и управление коэффициентом мощности (фиксированное отношение Q к P) обычно не используются, поскольку они могут привести к неправильной реакции на колебания напряжения в системе и обычно отвлекают от локальной системы. стабильность напряжения. Однако следует отметить, что реактивное управление или управление коэффициентом мощности являются разумными вариантами при подключении к очень жесткой шине по сравнению с размером установки.Это важное соображение в ожидании того, что более мелкие заводы должны быть учтены в стандартах NERC. Кроме того, для генераторов, подключенных к распределительной сети, подходят управление реактивной мощностью или управление коэффициентом мощности.

Обзор существующих стандартов реактивной мощности

В следующих разделах обсуждаются основные требования к реактивной мощности, применимые в Северной Америке и за рубежом.

Стандарты, применяемые в Северной Америке

FERC

Приказ FERC 661A применяется конкретно к ветряным электростанциям с суммарной паспортной мощностью более 20 МВА.Операторы передачи обычно требуют от ветрогенераторов обеспечивать отставание в 0,95, чтобы опережать диапазон коэффициента мощности в точке соединения, а также возможность регулирования напряжения. Приказ 661A возлагает бремя на оператора передачи по установлению потребности в требовании коэффициента мощности до запаздывания 0,95 для опережения диапазона коэффициента мощности и необходимости в динамической реактивной способности. Некоторые операторы передачи предпочли бы интерпретировать Приказ 661-A как базовое требование, основанное на необходимости на уровне системы, а не на индивидуальной основе.По-прежнему существует большая неопределенность в отношении этого вопроса для всех типов генерации переменных. Кроме того, существуют разные интерпретации и отсутствие ясности в отношении количества требуемой динамической реактивной мощности по сравнению со статической, с Приказом 661-A, требующим, чтобы ветряные электростанции обеспечивали достаточную поддержку динамического напряжения вместо стабилизатора энергосистемы (PSS) и автоматического напряжения. регулятор (АРН). Требования FERC к межсетевым соединениям в настоящее время не содержат формулировок, применимых к солнечной генерации.Однако процедуры присоединения генерации в Калифорнии были недавно пересмотрены с целью включения положений, аналогичных Приказу FERC 661A, но применимых ко всем асинхронным генераторам.

NERC

Применимость стандартов NERC к производителям определена в Заявлении о соответствии критериям реестра NERC (редакция 5.1). Генераторы мощностью более 20 МВА, завод / объект мощностью более 75 МВА в совокупности, любой генератор, являющийся блоком «черный пуск», подчиняется стандартам NERC.Региональные стандарты и другие требования дополняют стандарты НКРЭ. Важным моментом является то, что стандарты NERC, в отличие от некоторых региональных сетевых кодексов, стремятся быть технологически нейтральными. Хорошим примером этой философии является стандарт PRC-024 по допускам по напряжению и частоте, который в настоящее время разрабатывается.
NERC FAC-001 предписывает владельцу передачи определять и публиковать требования к подключению для оборудования, включая генераторы. Требования к подключению должны учитывать реактивную мощность и требования к управлению (R2.1.3 и R2.1.9). Как указано в предыдущем разделе, способ использования реактивной мощности влияет на требования к межсоединениям. В этом отношении стандарты NERC VAR рассматривают эксплуатационные требования в отношении управления реактивной мощностью, хотя используемый язык более уместен для синхронной генерации и может быть изменен для лучшего решения генерации переменных. В VAR-001 R3 указано, что « Оператор передачи должен указать критерии, которые освобождают производителей от соблюдения требований, определенных в Требовании 4 и Требовании 6.1. ”VAR-001 R4 и R6.1 относятся к требованиям для работы в режиме автоматического регулирования напряжения или регулирования реактивной мощности. VAR-002 указывает, что генераторы с автоматическими регуляторами напряжения должны работать в режиме управления напряжением, если иное не указано оператором передачи.
Стандарты присоединения, выпущенные операторами передачи в соответствии с FAC-001, не являются единообразными. Некоторые операторы передачи прямо рассматривают требования к реактивной мощности, а некоторые просто ссылаются на проформу FERC LGIA / SGIA.Например, в заявлении Idaho Power о соответствии требованиям NERC FAC-001 в Разделе R2.1.9 указано, что «Требования к контролю напряжения, реактивной мощности и коэффициента мощности IPC для генераторов описаны в соглашениях о взаимном подключении генераторов. Требования к генераторам мощностью более 20 МВт перечислены в разделе 9.6 Стандартного соглашения о присоединении крупных генераторов (LGIA) IPC. Для генераторов мощностью менее 20 МВт в разделе 1.8 Соглашения IPC о присоединении малых генераторов (SGIA) описаны требования. »В отличие от этого, в Разделе G3.1.2.2 Справочника по соединению генерации Pacific Gas and Electric Company (PG&E) говорится, что« Ветрогенераторные установки должны обеспечивать единый коэффициент мощности в точке соединения (POI), если только исследования PG&E не указывают диапазон. PG&E может дополнительно потребовать обеспечения реактивной поддержки, эквивалентной той, которая обеспечивается при работе синхронного генератора в любом месте в диапазоне от 95% опережающего коэффициента мощности (поглощающая переменная) до 90% запаздывающего коэффициента мощности (производящая переменную) в рабочем диапазоне ± 5%. номинального напряжения на клеммах генератора и полной нагрузки.(Это типично, если проект индукции превышает 1000 кВт.) »Далее, в G3.1.3, в документе PG&E говорится, что« Инверторные генерирующие установки должны обеспечивать реактивную мощность (Вар) для управления напряжением. Он должен быть измерен на стороне объекта (обычно на стороне низкого напряжения) повышающего трансформатора, который подключается к PG&E. Реактивная способность объекта должна быть, по крайней мере, способна обеспечивать систему как минимум 43% номинальной мощности объекта и принимать 31% номинальной мощности объекта ватт от системы. ”Другие стандарты, касающиеся реактивной мощности, рассматриваются ниже.

ERCOT

Процедуры подключения генератора

ERCOT или запроса на изменение применяются к отдельным блокам мощностью более 20 МВА или нескольким блокам (например, ветровым и солнечным генераторам) с совокупной мощностью 20 МВА, подключенным к системе передачи. Требуемый диапазон коэффициента мощности составляет 0,95 отставания для опережения при максимальной выходной мощности и должен подаваться в точке POI (передача). При частичной мощности реактивная способность должна быть до диапазона в МВАр при номинальной мощности или, по крайней мере, до требуемого диапазона при номинальной мощности, масштабируемого отношением активной мощности к номинальной мощности.Реактивный диапазон должен соответствовать профилю напряжения, установленному ERCOT. Все генераторы должны соблюдать график напряжения в пределах реактивной способности генератора и работать в режиме регулирования напряжения, если ERCOT не предписывает иное при уровнях выходной мощности, равных или превышающих 10% от номинальной выходной мощности. ^[2]

Калифорнийский независимый системный оператор

Калифорнийский независимый системный оператор (CAISO) недавно предложил более подробные требования к коэффициенту мощности, которые применяются ко всем формам «асинхронной генерации» (включая ветровую и солнечную).Предлагаемое требование заключалось в запаздывании на 0,95 для опережения базовых требований по коэффициенту мощности в точке интереса. Параллелограмм использовался для определения зависимости реактивной мощности от напряжения. Предлагаемый стандарт также допускал бы допустимый диапазон реактивной мощности, когда выходная мощность генерирующего объекта ниже 20% от номинальной выходной активной мощности. Он также заявил, что реактивная мощность должна быть обеспечена при полной выходной реальной мощности, и пояснил, что возможности реактивной мощности могут быть удовлетворены с помощью внешнего оборудования поддержки статической или динамической реактивной мощности.Специальное требование для автоматического регулирования напряжения включало определения зоны нечувствительности по напряжению и времени отклика. FERC отклонила предложение CAISO на том основании, что базовые требования к реактивной мощности должны быть обоснованы конкретным исследованием межсетевого взаимодействия.

HECO

Гавайская электрическая компания (HECO) в настоящее время определяет требования к коэффициенту мощности посредством соглашения о межсетевом соединении и процесса Соглашения о закупке электроэнергии, в том числе для площадок мощностью менее 20 МВт.Требования аналогичны требованиям, предложенным другими органами, с указанием того, что требование VAR (которое соответствует коэффициенту мощности 0,95 при номинальной мощности) будет удовлетворительным вместо требования коэффициента мощности.

AESO

Оператор электросистем Альберты (AESO) определяет требования к реактивной мощности для ветрогенераторов, как показано на рисунке справа. Основное требование заключается в том, что устойчивая реактивная мощность должна соответствовать или превышать коэффициент мощности от 0,9 до 0,95 в зависимости от агрегированного уровня МВт станции.Часть реактивной способности, отставание от 0,95 до опережения 0,985, должна быть динамической. Кратковременная реактивная мощность, которая может поддерживаться в течение одной секунды или дольше, учитывается при определении требуемой динамической реактивной мощности. При условии рассмотрения и утверждения AESO несколько ветряных электростанций, подключенных к общей передающей подстанции, могут рассмотреть возможность объединения регулирования напряжения и реактивной мощности от одного источника для удовлетворения общих требований к реактивной мощности. Целью требований регулирования напряжения является достижение разумной реакции на помехи, а также установившееся регулирование +/- 0.5% от контролируемого напряжения. Стандарт определяет минимальные требования к динамической реактивной мощности и позволяет некоторым управляемым реактивным устройствам, таким как батареи конденсаторов, удовлетворять требованиям к общей реактивной мощности. Характеристики реактивной мощности и регулирование напряжения оцениваются на стороне низкого напряжения повышающего трансформатора (ов) передачи и при номинальном напряжении коллекторной системы.

Требования к реактивной мощности, применимые к распределительной системе межсоединений

В Северной Америке распределительные межсетевые соединения в целом соответствуют стандартам IEEE 1547, которые кодифицированы в Стандартных генерирующих процедурах FERC (SGIP) и процессах межсоединений на уровне штата.Что касается реактивной мощности, IEEE 1547.1 утверждает, что коэффициент выходной мощности должен составлять 0,85 от опережения или выше; однако фотоэлектрические и ветряные системы, подключенные к распределительной сети, обычно проектируются для работы с единичным или опережающим коэффициентом мощности при управлении коэффициентом мощности и могут обеспечивать небольшую реактивную способность или ее отсутствие на полной мощности. Управление напряжением, которое часто требуется для генерации, подключенной к передаче, не разрешено в соответствии с IEEE 1547.

Сводка

Сводка существующих стандартов реактивной мощности
Стандартный	Технологический адрес	Требования к коэффициенту мощности	Диапазон напряжения	Специфицированное оборудование (статическое / динамическое)	Режимы управления
FERC 661A — Приложение G	Ветряные установки	0.95 отставание в точке соединения (POI), бремя доказательства требуется от поставщика передачи	Не указано?	С помощью силовой электроники в пределах ограничений, обусловленных уровнем напряжения и реальной выходной мощностью, или постоянными и переключаемыми конденсаторами по согласованию с поставщиком услуг передачи	Без адреса
NERC FAC-001	Генераторы мощностью более 20 МВА, завод / объект мощностью более 75 МВА в совокупности, любой генератор, являющийся блоком «черный пуск», и любой генератор, подключенный к системе передачи электроэнергии (обычно 100 кВ и выше).	Поручает владельцу передачи определить и опубликовать требования к соединению. Требования к подключению должны учитывать реактивную мощность и требования к управлению. Стандарты присоединения, выпущенные операторами передачи в соответствии с FAC-001, не являются единообразными.	Не указано?	Без адреса	VAR-001 R4 и R6.1 относятся к требованиям для работы в режиме автоматического регулирования напряжения или регулирования реактивной мощности. VAR-002 указывает, что генераторы с автоматическими регуляторами напряжения должны работать в режиме управления напряжением, если иное не указано оператором передачи.
ERCOT	Одиночные блоки мощностью более 20 МВА или несколько блоков (например, ветряные и солнечные генераторы) с совокупной мощностью 20 МВА, подключенные к системе передачи.	Требуемый диапазон коэффициента мощности составляет 0,95 отставания для опережения при максимальной выходной мощности и должен обеспечиваться в точке POI (передача). При частичной мощности реактивная способность должна быть до диапазона в МВАр при номинальной мощности или, по крайней мере, до требуемого диапазона при номинальной мощности, масштабируемого отношением активной мощности к номинальной мощности.	Диапазон реактивности должен соответствовать профилю напряжения, установленному ERCOT.		Все генераторы должны соблюдать график напряжения в пределах реактивной способности генератора и работать в режиме регулирования напряжения, если ERCOT не предписывает иное, при уровнях реальной выходной мощности 10% и выше.
CAISO (предложено)	Генерация переменной энергии	Отставание на 0,95 для опережения (потребления / производства) в точке POI, когда ресурсы переменного генерирования (VER) экспортируют> 20% максимальной номинальной мощности в точку POI.Максимальная VAR — это функция от реальной выдаваемой мощности (треугольная VAR поддерживает более 20% номинальной мощности). Например, VER экспортирует 10 МВт в POI, VER должен быть способен вводить или поглощать до 3,3 МВАр в POI.	Возможность обеспечить полный диапазон поддержки реактивной мощности при напряжении от 0,95 до 1,05 о.е. изначально была предложена, но сейчас рассматривается.	С помощью инверторов, переключаемых или фиксированных конденсаторов, статических устройств (STATCOM) или комбинации этих источников.	Режим управления напряжением по умолчанию с возможностью работы в режиме управления коэффициентом мощности. В соответствии с требованиями Западного Координационного совета по электроэнергии. Отрегулируйте напряжение в точке POI в установившемся режиме и в условиях помех в соответствии с графиком напряжения с помощью системы автоматического регулирования напряжения (AVCS). Все устройства реактивной мощности должны контролироваться AVCS. Никакого упоминания о динамической поддержке напряжения или времени отклика. В рамках рейтинга оборудования.
HECO (пример PPA)	На переговорах	Минимум 0.95 отстают от опережения в пределах диапазона реактивной мощности при полной полной мощности.	Указано при номинальном напряжении		Скорость реакции (зависит от сайта).

Есть несколько хороших примеров стандартов межсетевого взаимодействия, которые применяются к межсетевому соединению переменной генерации в Европе и других странах.

Международные стандарты

Ниже приведены некоторые примеры.

«Сетевые коды» ветроэнергетики в Европе

В Европе стандарты межсетевого взаимодействия для ветроэнергетики, известные как «сетевые коды», являются относительно зрелыми по сравнению со стандартами в Северной Америке.Стандарты различаются в зависимости от юрисдикции оператора передачи, и в настоящее время предпринимаются усилия по гармонизации формата стандартов. Расчетные требования к коэффициенту мощности выражаются кривой зависимости Q от P. Некоторые примеры представлены на рисунке справа. Эти диаграммы определяют требования к реактивной мощности во всем рабочем диапазоне активной мощности, а не только при полной выходной мощности. В качестве ориентира требования к расчетному коэффициенту мощности при полной выходной мощности варьируются от единицы до 0,9 при пониженном / повышенном возбуждении в точке подключения.Большинство кодексов признают, что реактивная мощность зависит от условий напряжения, и содержат соответствующие спецификации.
Некоторые сеточные коды определяют часть кривой возможностей, которая должна быть динамической, как и в стандарте AESO (Альберта). В некоторых кодах сети обсуждается, как эта реактивная способность может быть использована в операциях (управление напряжением / падением, управление коэффициентом мощности и управление реактивной мощностью), и ожидаемое время отклика для каждого из них. В некоторых правилах энергосистемы также обсуждается стратегия управления, необходимая при возникновении неисправности, которая может сыграть роль при проектировании системы и выборе оборудования.

Стандарты среднего напряжения в Германии

Требования к подключению солнечных фотоэлектрических систем, установленных на среднем напряжении (от 10 кВ до 100 кВ), были недавно введены в действие в Германии. Критерий расчета коэффициента мощности — отставание 0,95 для опережения при полной выходной мощности, что требует увеличения или уменьшения номинала инверторов. Этот стандарт также требует динамической поддержки реактивной мощности во время скачков напряжения.

Ссылки

.