Для чего нужна компенсация реактивной мощности
Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы, то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках, увеличивается падение напряжения в сетях. Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети. Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии. По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности.
Добавить вопрос/отзыв
Введение в современную концепцию неактивной мощности для «чайников» | Публикации
С учетом опыта практики специалистов компании «МИРКОН» превалирующее большинство заказчиков технических средств компенсации реактивной мощности и/или локализации источников эмиссии гармоник не имеет (или не актуализирует) профильного образования в этом сегменте электроэнергетики. Поэтому команда и менеджмент «МИРКОН» считают целесообразным объяснить почти «на пальцах» основы традиционной и современной концепции полной, активной, реактивной и неактивной мощности, что позволит выйти на лучший уровень взаимопонимания и более эффективно решать проблемы, как перетоков реактивной энергии, так и эмиссии/трансмиссии гармоник в силовых потребительских сетях.
Что такое мощность
Мощность — это мера энергии в единицу времени, т. е. мощность прибора в ваттах (Вт) показывает скорость, с которой он потребляет электроэнергию. Общее количество энергии, потребляемое этим устройством — это мощность, умноженная на количество времени, в течение которого она использовалась, и эта энергия может быть выражена в ватт-часах (или, чаще, в киловатт-часах).
В свою очередь мощность, рассеиваемая элементом схемы, будь то прибор или просто провод, определяется произведением его сопротивления на квадрат тока, проходящего через него, и в общем обозначает количество электроэнергии, трансформировавшееся в тепло (тепловую энергию) или механическую энергию (электродвигатели и пр.). Тепловая энергия может быть частью предполагаемой функции прибора как в любом электронагревательном устройстве или рассматриваться как потеря при резистивном нагреве линий передачи, однако в целом физический процесс описывается законом Ома, позволяющим определить мощность простым произведением тока и напряжения.
Применение простой формулы становится проблематичным, когда напряжение и ток меняются с течением времени, как это происходит при переменном токе. В наиболее кратких, но абстрактных обозначениях мощность, ток и напряжение являются комплексными величинами, и уравнение для мощности выглядит следующим образом: S=I*×U, где S — полная мощность, а звездочка обозначает комплексное значение тока I (положительное или отрицательное при расчетах).
Внешне все это имеет мало физического смысла и в интересах концептуального понимания мощности переменного тока правильно принять «на веру» утверждение, что в цепях с резистивной нагрузкой всегда мгновенная мощность равна мгновенному произведению синфазных (совпадающих по фазе) тока и напряжения, а для вычисления усредненного по всем периодам значения мощности нужно использовать среднеквадратичные значения тока и напряжения — IRMC и URMC.
При наличии реактивных нагрузок кривые тока и напряжения сдвинуты, а значит одна величина иногда бывает отрицательной, а другая — положительной и, как результат — мгновенная передаваемая или потребляемая мощность (произведение напряжения и тока) иногда бывает отрицательной (см. рис. ниже).
Синусоиды тока, напряжения и мощность при реактивной нагрузкеИногда такую ситуацию интерпретируют, как то, что мощность «течет назад» по линии передачи или от нагрузки и обратно в генератор, а энергия, которая передается туда и обратно, необходима электрическим или магнитным полям внутри этих нагрузок и генераторов.
Вне зависимости от интерпретаций физического смысла такого явления по итогу наличия «отрицательной» мощности выходит, что средняя мощность при реактивной нагрузке всегда меньше ее значения в цепях с резистивными сопротивлениями и это связано с величиной фазового сдвига между напряжением и током (или косинусом угла сдвига) — Р=IRMC*URMC*cosφ.
Средняя мощность соответствует мощности, фактически передаваемой или потребляемой нагрузкой и ее также называют реальной, истинной, активной мощностью Р и измеряют в ваттах. Уравнение выше справедливо для всех случаев типа нагрузки — при чисто резистивной нет фазового сдвига, φ=0 и cosφ=1, т. е. выходим на закон Ома, при чисто реактивной φ=90 и cosφ=0, а значит мощность только колеблется вперед и назад, но не потребляется (средняя мощность равна нулю).
Что такое полная мощность
Произведение тока и напряжения, независимо от их фазового сдвига, называется полной мощностью и обозначается символом S. Хотя полная и реальная мощность одинаковые физически они выражаются по-разному, чтобы сохранить очевидное различие, а единицы полной мощности обозначают вольт-амперами (ВА).
В целом полная мощность важна с точки зрения выбора характеристик нагрузки(обычно в кВА или МВА), ведь фактически решающей величиной по отношению к пределам теплоемкости является только ток, а поскольку на практике рабочее напряжение силового оборудования обычно довольно постоянное, то полная мощность, по факту не зависящая от коэффициента cosφ является лучшим способом индикации силы тока.
Что такое реактивная мощность
Реактивная мощность — это как раз та составляющая мощности, которая колеблется взад и вперед по линиям, обмениваясь между электрическими и магнитными полями и не выполняя «полезной» работы — она обозначается символом Q, а ее величина определяется как Q=IRMC*URMC*sinφ и измеряется в VAR (иногда Var или VAr). Обычно устройства, потребляющие реактивный индуктивный ток, называют приемниками реактивной мощности, а устройства, потребляющие реактивный емкостной ток, называют источниками реактивной мощности.
Большая часть промышленного оборудования потребляет реактивную мощность — электродвигатели, трансформаторы, кондукторы, дроссели, преобразователи, дуговые печи, силовая электроника и т.
д. Это создает дефицит реактивной мощности в потребительской сети, а значит ее нужно транспортировать от генераторов электростанций через магистральные линии, распределительные сети, что приводит к потерям, изменениям параметров качества электроэнергии и, соответственно, требует компенсации потребителем затрат.
Однако в самой потребительской сети можно установить источники реактивной мощности — конденсаторы, батареи, конденсаторные установки, которые будут компенсировать потребность в реактивной энергии на местах, а значит снизят энергопотребление из распределительной сети и повысят качество электроэнергии.
(О современной концепции активной и неактивной мощности в следующем материале).
реактивной мощности для чайников… Кто-нибудь? — Фактические вопросы
Gangster_Octopus
1
Может ли кто-нибудь объяснить мне реактивную мощность простым и понятным языком?
Crafter_Man
2
Вы пробовали погуглить?
Я не уверен, что это правильно в смысле учебника, но я считаю, что реактивная мощность — это мощность, которая хранится и извлекается (и а не превратились в низкопотенциальную жару).
Показательный пример: допустим, вы прикладываете источник синусоидального напряжения к идеальной катушке индуктивности. Затем вы хотите измерить мощность, «рассеиваемую» катушкой индуктивности (P = VI), поэтому вы подключаете вольтметр к катушке индуктивности и амперметр последовательно с катушкой индуктивности. Затем вы умножаете напряжение и ток, чтобы получить мощность.
Так это правильный способ сделать это? Не совсем. То, что вы только что измерили, было * кажущейся мощностью *, а в случае идеального индуктора кажущаяся мощность = реактивной мощности. Реальная мощность, рассеиваемая катушкой индуктивности, равна нулю.
Итак, по сути, у вас есть три измерения мощности: реактивная мощность, полная полная мощность и активная мощность.
Заметьте также, что эти вещи можно описать математически. Например, косинус разности фаз между сигналами напряжения и тока (который связан с коэффициентом мощности) можно использовать для определения имеющейся у вас реактивной мощности.
Кевбо
3
Механические аналоги иногда помогают.
Предположим, у вас есть кофемолка с ручным приводом, как в старом универсальном магазине. Работа, которую вы выполняете на самом деле, перемалываете кофе, это так называемая «настоящая» сила.
Теперь прикрепите свинцовый груз № 10 к рукоятке. Каждый раз, когда ручка движется вверх, вам приходится выполнять дополнительную работу, чтобы поднять вес, но вам нужно делать меньше работы, чтобы смолоть кофе, когда ручка движется вниз.
Вес накапливает энергию в одной части цикла и высвобождает ее во время другой части. Это аналогично понятию реактивной мощности в системе переменного тока.
Теперь предположим, что вам нужно вращать рукоятку, используя вместо руки 10-футовый шест. Теперь шест должен быть достаточно прочным, чтобы поднимать вес и молоть кофе. Соотношение между общей силой, прилагаемой к шесту, и частью силы, необходимой только для того, чтобы перемолоть кофе, называется «коэффициентом мощности».
Вот почему коммунальные службы не любят реактивную мощность. Перемещение этой энергии между нагрузкой и генерирующей станцией приводит к дополнительным потерям мощности в их линиях передачи. И точно так же, как полюс, их генераторы должны давать полную, а не только «реальную» часть, поэтому они теряют некоторую полезную мощность.
Предположим, вы добавили пружину, которая тянет вверх и уравновешивает вес. Теперь 10-футовый стержень должен выдерживать только силу, необходимую для помола кофе. Пружина — это «корректор коэффициента мощности», а электрический аналог — батарея конденсаторов, корректирующая коэффициент мощности PFC.
Теперь я EE, поэтому, если вам нужно «настоящее» объяснение, я могу это сделать, но это лучшее, что я могу сделать, не впадая в сложную математику.
БОЛЬШАЯ проблема сложных математических объяснений заключается в том, что вы используете «воображаемые» числа для описания РЕАЛЬНЫХ физических вещей. Люди видят «воображаемое» и делают вывод, что вы описываете что-то меньшее, чем реальное.
Crafter_Man
4
Вот еще более простое объяснение:
Генератор подает электроэнергию на нагрузку.
Часть мощности «поглощается» нагрузкой. Мы называем это «настоящей» силой. (В большинстве случаев нагрузка превращает эту мощность в низкопотенциальное необратимое тепло. Но не всегда. Нагрузка может также преобразовывать мощность в свет, химическую энергию и т. д.) Часть мощности не поглощается нагрузкой , а вместо этого отражается обратно в генератор. Эта мощность называется реактивной мощностью.
Итак, как вы измеряете эти вещи? Если бы вы подключили вольтметр к нагрузке, амперметр последовательно с нагрузкой и умножили бы два числа (которые мы назвали бы «полной» мощностью), было бы это равно реальной мощности или реактивной мощности?
Ответ: зависит от нагрузки.
Если бы нагрузка была чисто резистивной, показания кажущейся мощности были бы равны реальной мощности.
Если бы нагрузка была чисто реактивной, показания полной мощности не были бы равны реальной мощности. На самом деле, если бы нагрузка была чисто реактивной, реальная мощность была бы равна нулю, а вся мощность была бы «реактивной».
Следовательно, ваше показание полной мощности будет равно реактивной мощности.
Если нагрузка имеет резистивный компонент и реактивный компонент (например, двигатель, катушка индуктивности, включенная последовательно с резистором, конденсатор, параллельный резистору и т. д.), ваши показания полной мощности не будут равны настоящая власть. Она также не будет равна кажущейся мощности. Чтобы рассчитать реактивную мощность, вам сначала нужно определить, что такое реальная мощность. Существуют различные способы сделать это. Один из методов заключается в измерении среднеквадратичного значения сигнала напряжения, среднеквадратичного значения сигнала тока, косинуса разности фазовых углов, а затем умножения всех трех чисел. Другой метод заключается в одновременной выборке сигналов тока и напряжения на высокой скорости. Каждая «пара напряжение-ток» перемножается для получения мгновенной мощности. Эти значения усредняются за один или несколько периодов, что дает вам реальную среднюю мощность.
Как только вы вычислите это, реактивная мощность может быть легко рассчитана; это просто кажущаяся мощность минус реальная мощность.
Кстати: не существует чисто резистивной нагрузки или чисто реактивной нагрузки; все нагрузки имеют резистивную составляющую и реактивную составляющую.
Crafter_Man
5
Я облажался. Начало предпоследнего абзаца следует читать:
Если нагрузка имеет резистивную составляющую и реактивную составляющую (например, двигатель, катушка индуктивности, включенная последовательно с резистором, конденсатор, параллельный резистору и т. д. ), ваши показания кажущейся мощности не будут равны реальной мощности. Это также не будет равно реактивная мощность .
инженер_comp_geek
6
Катушки индуктивности и конденсаторы являются устройствами накопления энергии. Возьмем, к примеру, конденсатор. Вы можете зарядить его, подав на него электричество, затем повернуться и подключить его к чему-то еще, и он разрядится (так работает дуговой сварщик).
Когда у вас есть питание переменного тока, во время части синусоидального цикла переменного тока эти устройства будут заряжаться, а во время других частей цикла они будут разряжаться. Эта энергия на самом деле ничего не делает, она просто накапливается и высвобождается, сохраняется и высвобождается. Это так называемая реактивная мощность.
Катушки индуктивности и конденсаторы работают как бы противоположно друг другу. Когда катушка индуктивности заряжается, конденсатор разряжается, и наоборот. Энергетические системы наиболее эффективны, когда емкость и индуктивность компенсируют друг друга, потому что в основном, когда конденсаторы разряжаются, эта энергия идет на зарядку катушек индуктивности, а когда катушки индуктивности разряжаются, эта энергия идет на зарядку конденсаторов.
Это означает, что генератору не нужно подавать дополнительный ток для зарядки катушек индуктивности и конденсаторов. Двигатели, как правило, имеют индуктивную нагрузку, а емкостные нагрузки встречаются очень редко, поэтому общие энергосистемы имеют тенденцию быть немного индуктивными. Энергетическая компания установит батареи конденсаторов, которые будут включать и выключать линию, чтобы компенсировать индуктивность, чтобы они уравновешивали реактивную нагрузку.
Коэффициент мощности Объясняется простыми для понимания понятиями
Густав ЭйселенГустав Эйселен
Специалист по энергосбережению и качеству электроэнергии.
Опубликовано 19 января 2017 г.
+ Подписаться
Коэффициент мощности можно рассматривать как сложную проблему для осмысления и понимания, или вы можете упростить ее до основ.
В этом документе я постараюсь сделать его максимально реальным и простым, чтобы каждый мог понять фактор мощности, его важность, а также почему и как мы можем его исправить.
Прежде чем мы начнем, мне нужно объяснить несколько очень важных принципов.
Когда электроэнергия подается через распределительную сеть, она может поставлять два типа мощности:
1) Реальная мощность (кВА) — это просто мощность, которая будет потребляться без «расходов», то есть будет использовано то, что подведено. Электрические устройства, такие как обогреватели, тостеры и лампы накаливания старой школы, являются примерами устройств, которые используют реальную энергию.
2) Потерянная мощность или реактивная мощность (кВАр) — это мощность, которая при подаче вырабатывается, но не используется в качестве полезной энергии. «Потеряемая мощность» или реактивная мощность используется в магнитных цепях, например, в электродвигателях. В электродвигателях должна быть постоянная магнитная цепь, иначе двигатель не может работать.
Эта энергия, которая используется для «намагничивания» двигателя, не используется для работы, выполняемой двигателем, и фактически представляет собой потраченную впустую или неиспользованную электроэнергию или энергию.
на изображении выше вы заметите, что двигатель потребляет как (1) реальную мощность, так и (2) неиспользуемую / потерянную или реактивную мощность. Это может не выглядеть как проблема, но это большая проблема. Вы можете спросить, почему?
Ответ сложен, но позвольте мне объяснить это очень просто. Коммунальная компания, то есть компания, которая должна предоставить линии электропередачи и трансформаторы, которые снабжают энергией (мощностью) промышленность, должна поставлять свое оборудование на основе расчетной нагрузки. Если нагрузка больше, чем должна быть, их инфраструктура (линии электропередачи и трансформаторы) должна быть рассчитана соответствующим образом. Таким образом, если мы сможем уменьшить компонент реактивной мощности (неиспользуемая мощность) в промышленности, в их системе (линии электропередачи / трансформаторы) будет больше мощности для подачи электроэнергии другим промышленным потребителям без необходимости расширения (более крупные трансформаторы и линии электропередачи) .
Как это повлияет на меня? Коммунальные компании взимают плату, называемую «штрафом за коэффициент мощности», в ваш счет за коммунальные услуги. Эта плата основана на термине, называемом «потребность в кВАр». KVAr — это реактивная (расходуемая мощность) составляющая, которую коммунальное предприятие должно обеспечивать для всех устройств на вашем предприятии, использующих для работы магнитные цепи.
Почему существует эта плата?
Эта плата существует просто потому, что коммунальная компания не может продавать реактивную мощность (неиспользуемую мощность) любому другому пользователю. Их инфраструктура (линии электропередачи / трансформаторы) также должна быть больше, чтобы поставлять вам компонент реактивной мощности, поэтому вы платите или получаете штраф, потому что коммунальному предприятию нужно было снабжать вас реактивной (потери мощности).
Так как же это исправить? какое решение и с чего начать?
Фиксация коэффициента мощности не так сложна, как это представляют инженеры.
Проще говоря, вам необходимо установить в вашей сети устройство, которое может генерировать «квары» или энергию впустую, чтобы утилите не нужно было поставлять этот компонент энергии на ваш объект.
Как вы можете видеть на изображении выше, добавив «Генератор KVAR» на свой объект, вся реактивная или потерянная мощность теперь предоставляется вами, а не коммунальной компанией.
Возможно, вы слышали термин «конденсаторные батареи». Конденсаторные батареи — это старый метод обеспечения реактивной мощности системы. Тем не менее, здесь нужно предостеречь: конденсаторы изо всех сил пытаются справиться со сложными проблемами с питанием, с которыми мы сталкиваемся на современных установках. Не вдаваясь в подробности о гармониках, переходных процессах и других проблемах современного оборудования, я могу просто заявить, что батареи конденсаторов, если они не установлены правильно, в конечном итоге обеспечат вас долгосрочными и постоянными рисками и проблемами обслуживания.
В середине 1980-х и начале 1990-х годов, когда были представлены приводы с регулируемой скоростью (VSD) или преобразователи частоты, большинство инженеров и заводских электриков были категорически против этих электронных устройств.
