КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ТРЕУГОЛЬНИК МОЩНОСТЕЙ, ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Особенности индуктивных нагрузок

Большинство нагрузок в современных системах электроснабжения имеют индуктивный характер. К ним, например, относятся электродвигатели, трансформаторы, балласты люминесцентных ламп, индукционные печи. Для нормальной работы подобных нагрузок в них требуется создать магнитное поле.

Индуктивные нагрузки требуют наличия двух составляющих тока:

• Активной составляющей, за счет которой происходит нагрев, получение света, механическое движение, полезная работа и т.п.;
• Реактивной составляющей, необходимой для получения и поддержания магнитного поля.

Активная составляющая тока отвечает за потребление активной мощности, которая может быть измерена с помощью ваттметра. Она измеряется в ваттах (Вт) и киловаттах (кВт). Реактивная мощность не совершает никакой полезной работы, но циркулирует между генератором и нагрузкой. При этом она увеличивает нагрузку на источники питания и распредсистему. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах-реактивных (вар).

Вместе активная и реактивная мощность образуют полную или кажущуюся мощность. Она измеряется в киловольт-амперах (кВА).

Рис. 1. Активная мощность

Рис. 2.Реактивная мощность

Понятие коэффициента мощности (косинуса фи)

Под коэффициентом мощности понимают отношение активной мощности к полной. Этот коэффициент характеризует, насколько эффективно используется электроэнергия. Высокие значения коэффициента мощности соответствуют эффективному использованию электроэнергии, а низкие – напротив, неэффективному.

Для определение коэффициента мощности (PF) следует разделить активную мощность (в кВт) на полную (кВА). Для линейных систем с синусоидальными токами коэффициент мощности численно равен cos ?:

PF = кВт/кВА = cos ?

Например, для токарно-карусельного станка, работающего с полезной мощностью 100 кВт и полной мощностью 125 кВА, коэффициент мощности составит 100/125 = 0,8.

Рис. 3. Полная мощность

Рис. 4. Треугольник мощностей

Примечание: показанный на рис.4 треугольник мощностей используется для иллюстрации соотношений между активной, реактивной и полной мощностями.

Должен ли нас волновать низкий коэффициент мощности PF (косинус фи — cos ?)?

Низкий cos ? означает, что вы не полностью используете оплачиваемую вами электроэнергию.

Из показанных на рис.5 соотношений можно видеть, что полная мощность уменьшается с ростом коэффициента мощности. При коэффициенте мощности, равном 70%, для получения 100 кВт требуется 142 кВА. При коэффициенте мощности, равном 95%, для получения 100 кВт требуется только 105 кВА. Если посмотреть на все это с точки зрения величины тока, получается, что при коэффициенте мощности 70% требуется на 35% больший ток для совершения той же самой полезной работы.

Рис. 5. Типичные треугольники мощностей

Что можно сделать для повышения косинуса фи (коэффициента мощности)?

Коэффициент мощности можно повысить путем установки компенсирующих конденсаторов в распредсистеме предприятия

Если полная мощность (кВА) больше, чем полезная мощность (кВт), через энергосистему протекает сумма активного и реактивного токов. Силовые конденсаторы являются своего рода генератором реактивной мощности (см. рис. 6). Выдавая реактивный ток, они снижают общий ток, протекающий от энергосистемы к нагрузкам.

Наиболее выгодным является коэффициент мощности 95%

Теоретически конденсаторы могут выдать 100% требуемой реактивной мощности. Однако наиболее выгодным является поддержание коэффициента мощности на уровне 95%.

На рис.7 показано потребление полной мощности в системе до и после установки конденсаторов. Установка конденсаторов и увеличение коэффициента мощности до 95% обеспечивает снижение полной мощности со 142 кВА до 105 кВА, т.е. снижение составляет 35%.

Рис.6. Конденсаторы как генераторы реактивной мощности

Рис.7. Требуемая полная мощность до и после компенсации

Компенсация реактивной мощности: руководство для главного энергетика

Какова будет экономия при установке компенсирующих конденсаторов

Силовые конденсаторы дают множество преимуществ:

• снижение расходов на электроэнергию;
• снижение требований к мощности системы;
• улучшение стабильности напряжения;
• снижение потерь.

Снижение расходов на оплату электроэнергии

Ваша энергоснабжающая организация поставляет как активную (кВт), так и реактивную мощность (квар). Хотя реактивная мощность и не регистрируется счетчиками электроэнергии (считающими киловатт- часы), распределительная сеть должна быть достаточно мощной, чтобы обеспечить необходимую полную мощность. Поэтому у энергоснабжающих компаний есть масса способов заставить потребителей компенсировать их расходы на более мощные генераторы, трансформаторы, кабели, выключатели и т.п.

Как показано в случае ниже, конденсаторы могут сэкономить ваши деньги вне зависимости от того, как именно происходит начисление платы за электроэнергию.

Начисление за полную мощность (кВА)

Энергоснабжающая организация измеряет и тарифицирует каждый ампер потребляемого тока, включая реактивную составляющую.

Начисление за кВт с учетом коэффициента мощности

Энергоснабжающая организация начисляет плату в соответствии с потребляемой активной энергией и добавляет пени при низком коэффициенте мощности. Также может использоваться поправочный коэффициент, на который умножается величина активной энергии. Следующая формула иллюстрирует начисление, при котором «отправной точкой» является коэффициент мощности, равный 90%:

Потребление в кВт х 0,90

фактический коэффициент мощности

Если коэффициент мощности равен 0,84, поставщик электроэнергии увеличит плату на % в соответствии с формулой:

кВт х 0,90 / 0,84 = 107 (множитель)

Некоторые энергоснабжающие организации требуют дополнительную плату за низкий коэффициент мощности, но предоставляют вычеты или бонусы за потребление свыше определенного уровня.

Начисление за реактивную мощность

Энергоснабжающая организация напрямую взимает плату за реактивную мощность, которая обычно составляет определенную долю от активной мощности (кВт). Например, если эта плата составляет 1 рубль за каждый квар для всего, что находится сверх 50% активной мощности. Иными словами, если имеется нагрузка 400 кВт, энергоснабжающая организация предоставит 200 квар бесплатно.

Увеличение пропускной способности системы при компенсации реактивной мощности

Применение конденсаторов для компенсации реактивной мощности увеличивает пропускную способность системы по току. Повышение коэффициента мощности снижает количество квар на кВт полезной нагрузки. Таким образом, используя конденсаторы можно увеличить полезную нагрузку при сохранении величины полной мощности (кВА).

Рис.8. Увеличение пропускной способности трансформатора при компенсации

Компенсация реактивной мощности позволяет увеличить нагрузочную способность трансформатора

Предприятие имеет трансформатор мощностью 500 кВА, работающий почти на номинальной мощности. Он потребляет 480 кВА или 578 А при 400 В. Существующий коэффициент мощности – 75%, соответственно доступная активная мощность составляет 360 кВт.

Желательно увеличить производительность на 25%, т.е. необходимо получить 450 кВт. Как этого добиться? Самый простой выход – установить новый трансформатор. Для получения 450 кВт потребуется трансформатор мощностью 600 кВА при работе с коэффициентом мощности 75%. При этом, скорее всего, понадобится следующий стандартный типоразмер трансформатора (750 кВА).

Возможно, лучшим решением будет повысить коэффициент мощности, чтобы трансформатор смог работать с дополнительной нагрузкой. Для повышения коэффициента мощности с 75 до 95% при нагрузке в 450 кВт потребуется конденсатор с мощностью 450 х 0,553 = 248,8 квар.

Аналогичный принцип используется при необходимости снизить ток, протекающий через перегруженное оборудование. Повышение коэффициента мощности с 75 до 95% при той же активной мощности приводит к снижению тока на 21%. Если посмотреть по другому, при работе с коэффициентом мощности 75% ток возрастает на 26,7%, а при 65% — на 46,2%.

Отрасли промышленности с низким коэффициентом мощности, в которых выгодно использовать конденсаторы

Низкий косинус фи является следствием того, что множество двигателей работают с нагрузкой ниже номинальной. Такое часто происходит в циклических технологических процессах, например, при использовании циркулярных пил, шаровых мельниц, конвейеров, компрессоров, шлифовальных станков, прессов и т.п. Для подобных механизмов двигатели обычно выбираются, исходя из максимально возможной нагрузки. Примерами механизмов, работающих с низким коэффициентом мощности (от 30 до 50%), можно считать токарный станок, работающий в режиме неглубокого реза, ненагруженный компрессор, циркулярную пилу в отсутствии заготовки.

С низким коэффициентом мощности обычно работают предприятия в следующих отраслях:

Отрасли с низким коэффициентом мощности

Отрасль	Нескомпенсированный коэффициент мощности
Лесопильни	45-65%
Производство пластмасс (особенно экструдеры)	55-70%
Металлообрабатывающие станки, прессы	60-70%
Гальванопокрытия, текстиль, химическая промышленность, пивоварни	65-75%
Больницы, склады, литейное производство	70-80%

Включайте конденсаторы КРМ в новые проекты и проекты расширения производства

Включение конденсаторов в новые проекты и проекты модернизации производства позволяет уменьшить типоразмеры трансформаторов, шин, выключателей и т. п., что ведет к прямой экономии.

На рис. 9 показано, как высвобождается полная мощность системы (кВА) при увеличении коэффициента мощности. Увеличение коэффициента мощности с 70 до 90% высвобождает 0,32 кВА на кВт. При нагрузке 400 кВт высвобождается 128 кВт.

Повышение стабильности напряжения

Пониженное из-за больших потребляемых токов напряжение приводит к затрудненному пуску двигателей и их перегреву. По мере снижения коэффициента мощности растет общий ток в линии, что приводит к увеличению падения напряжения. Установка конденсаторов и конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности и снижение просадок позволяют добиться более эффективной работы двигателей и продлить их срок службы.

Снижение потерь

Потери из-за низкого коэффициента мощности связаны с реактивным током, протекающим в системе. Эти потери связаны с выделением тепла и могут быть устранены за счет коррекции коэффициента мощности. Мощность потерь (в ваттах) в распредсистеме рассчитывается как произведение квадрата тока на активное сопротивление контура (I2R). Рассчитать снижение потерь можно по формуле:

Снижение потерь (%) = 100 – 100 х (начальный коэф. мощности/конечный коэф. мощности)²

Рис.9. Высвобождение полной мощности при коррекции коэффициента мощности

Как правильно выбрать конденсаторы для конкретного случая?

Если сделан вывод о целесообразности компенсации реактивной мощности на том или ином объекте, понадобится выбрать оптимальный типоразмер и количество конденсаторов.

Существует два основных способа установки конденсаторов: «индивидуальный» (когда отдельные конденсаторы устанавливаются непосредственно у нагрузок, обычно линейных) и «групповой» (когда батарея с фиксированной или регулируемой емкостью устанавливается на присоединении или на подстанции).

Сравнение индивидуальной и групповой компенсации

Преимущества установки индивидуальных конденсаторов рядом с нагрузками:

• Предсказуемость; конденсаторы не могут создать проблемы в сети при работе без нагрузки;
• Не требуются отдельные выключатели; двигатель всегда включается вместе с относящимся к нему конденсатором;
• Оптимизация режимов работы двигателей за счет более эффективного использования электроэнергии и снижения просадок напряжения;
• Двигатели можно переставлять вместе с относящимися к ним конденсаторами;
• Проще выбрать конденсатор для конкретной нагрузки;
• Снижение потерь в линии;
• Повышение пропускной способности системы.

Преимущества установки конденсаторных батарей на присоединении или на подстанции:

• Ниже цена за квар;
• Повышение коэффициента мощности всего предприятия, что снижает или исключает любые санкции за низкий коэффициент мощности;
• Автоматическое переключение конденсаторов обеспечивает получение строго необходимой реактивной мощности, что исключает перекомпенсацию и связанные с ней перенапряжения.

Преимущества и недостатки индивидуальной и групповой (с нерегулируемыми и автоматически регулируемыми батареями) компенсации

Метод	Преимущества	Недостатки
Индивидуальные конденсаторы	Наиболее эффективный метод, наибольшая гибкость	Большая стоимость установки и обслуживания
Нерегулируемая батарея	Наиболее экономичное решение, требуется меньше точек установки	Менее гибкое решение, требуются выключатели и/или контакторы
Автоматически регулируемая батарея	Наилучшее решение при меняющихся нагрузках, исключаются перенапряжения, низкая стоимость установки	Выше стоимость оборудования
Комбинированный	Наиболее подходящее решение при большом количестве двигателей	Менее гибкое решение

Изучение особенностей объекта

Для выбора оптимального решения необходимо взвесить достоинства и недостатки каждого из возможных способов компенсации. При этом следует учитывать «переменные объекта», такие как тип нагрузок, их мощность, постоянство нагрузки, нагрузочная способность сети, способы пуска двигателей и способ начисления платы за электроэнергию.

Тип нагрузок

Если на предприятии установлено много крупных двигателей с мощностью 35 кВт и более, обычно целесообразно устанавливать на каждый двигатель свой конденсатор и включать его одновременно с относящимся к нему конденсатором. Если на предприятии используется много мелких двигателей, от 0,5 до 18 кВт, можно сгруппировать эти двигатели и установить один конденсатор в центральной точке системы. Часто наилучшим решением для предприятий с множеством двигателей разных мощностей оказывается комбинирование обоих типов компенсации.

Мощность нагрузки

Для предприятий с мощными нагрузками может оказаться выгодным комбинирование индивидуальной и групповой компенсации с нерегулируемыми или автоматическими конденсаторными батареями. С другой стороны, для небольшого объекта может оказаться достаточно одного единственного конденсатора в распределительном щите.

Иногда на предприятии обнаруживается изолированный «проблемный участок», в котором требуется коррекция. Такая ситуация может возникнуть, если на предприятии используются сварочные аппараты, индукционные нагреватели или приводы постоянного тока. В этом случае, если скомпенсировать реактивную мощность на конкретном фидере, питающем нагрузку с низким коэффициентом мощности, это повысит коэффициент мощности всего предприятия, и дополнительные конденсаторы будут не нужны.

Постоянство нагрузки

Если предприятие работает круглосуточно и потребляет постоянную мощность, использование нерегулируемых конденсаторов наиболее экономично. Если нагрузка «привязана» к восьмичасовому рабочему дню и потребляется пять дней в неделю, удобно использовать конденсаторные батареи, отключаемые в периоды с меньшей нагрузкой.

Нагрузочная способность

Если фидеры или трансформаторы перегружены, или требуется увеличить нагрузку и без того нагруженных линий, компенсацию реактивной мощности необходимо производить непосредственно на нагрузке. Если распредсистема имеет запас по току, конденсаторы можно устанавливать на главных фидерах. Если нагрузка сильно меняется, разумно использовать регулируемую батарею с автоматическим переключением ступеней.

Способ начисления платы за электроэнергию

Размеры тарифов и штрафы за низкий коэффициент мощности могут существенно влиять на экономический эффект от компенсации и срок окупаемости. Во многих отраслях оптимально подобранное оборудование для коррекции коэффициента мощности окупается менее чем за два года.

Сколько квар необходимо?

Единицей измерения мощности конденсаторов для компенсации реактивной мощности является квар, равный 1000 вар (вольт-ампер-реактивный). Количество квар характеризует, какую реактивную мощность выдаст конденсатор.

Выбор типоразмера конденсаторов для индивидуальной компенсации

Для выбора конденсаторов для индивидуальной компенсации моторных нагрузок следует обратиться к таблице 3. При этом необходимо использовать данные с заводской таблички двигателя — номинальную скорость и мощность. В таблице приведены мощности конденсаторов (квар), необходимые для доведения коэффициента мощности до 95%. В таблицах также приведено, насколько снизится ток после установки конденсаторов.

Выбор типоразмера конденсаторов для компенсации всего предприятия

Если известно, какую активную мощность (кВт) потребляет предприятие, его существующий коэффициент мощности и желаемый коэффициент мощности.

Реактивная мощность кратко и понятно: что такое, формулы

Содержание:

Что такое реактивная мощность?

Для начала рассмотрим понятие электрической мощности. В широком смысле слова, этот термин означает работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электрической энергии, понятие мощности немного откорректируем: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, реально характеризующую скорость генерации тока или количество переданной либо потреблённой электроэнергии в единицу времени.

Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.

Строго говоря, приведённая выше формула справедлива только для постоянного тока. Однако, в цепях синусоидального тока формула работает лишь тогда, когда нагрузка потребителей чисто активная. При резистивной нагрузке вся электрическая энергия расходуется на выполнение полезной работы. Примерами активных нагрузок являются резистивные приборы, такие как кипятильник или лампа накаливания.

При наличии в электрической цепи ёмкостных или индуктивных нагрузок, появляются паразитные токи, не участвующие в выполнении полезной работы. Мощность этих токов называют реактивной.

На индуктивных и ёмкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует выполнению полезной работы.

Физика процесса

Когда мы имеем дело с цепями постоянного тока, то говорить о реактивной мощности не приходится. В таких цепях значения мгновенной и полной мощности совпадают. Исключением являются моменты включения и отключения ёмкостных и индуктивных нагрузок.

Похожая ситуация происходит при наличии чисто активных сопротивлений в синусоидальных цепях. Однако если в такую электрическую цепь включены устройства с индуктивными или ёмкостными сопротивлениями, происходит сдвиг фаз по току и напряжению (см. рис.1).

При этом на индуктивностях наблюдается отставание тока по фазе, а на ёмкостных элементах фаза тока сдвигается так, что ток опережает напряжение. В связи с нарушением гармоники тока, полная мощность разлагается на две составляющие. Ёмкостные и индуктивные составляющие называют реактивными, бесполезными. Вторая составляющая состоит из активных мощностей.

Рис. 1. Сдвиг фаз индуктивной нагрузкой

Угол сдвига фаз используется при вычислениях значений активных и реактивных ёмкостных либо индуктивных мощностей. Если угол φ = 0, что имеет место при резистивных нагрузках, то реактивная составляющая отсутствует.

Важно запомнить:

• резистор потребляет исключительно активную мощность, которая выделяется в виде тепла и света;
• катушки индуктивности провоцируют образование реактивной составляющей и возвращают её в виде магнитных полей;
• Ёмкостные элементы (конденсаторы) являются причиной появления реактивных сопротивлений.

Источник реактивной энергии

Чтобы понять природу появления этой энергии и то, как найти реактивную мощность, нужно уточнить, что любая электромагнитная или индукционная машина, которая работает на переменном токе, преобразует электричество в тепло. Чтобы это преобразование произошло, нужно магнитное поле. Оно, соответственно, формируется безваттной энергией. Причина в поглощении энергии индукционной цепи и отдаче ее обратно при спаде магнитного поля два раза за цикл мощностной частоты.

Природа явления

Зачем нужна

Электричество передает энергию в проводник для осуществления технического процесса. Чтобы процесс происходил, переданная сила должна преобразовываться в тепло и напряжение. При этом электроэнергия должна поступать постоянно, что обеспечивается обеими разновидностями мощностной характеристики. Активно действующая дает полезную силу, а реактивно действующая ее поддерживает в электродвигательных, трансформаторных, печных, сварочных, дроссельных и осветительных установках.

Мощность в цепи переменного электрического тока

Электроприборы, подключаемые к электросети работают в цепи переменного тока, поэтому мы будем рассматривать мощность именно в этих условиях. Однако, сначала, дадим общее определение понятию.

Мощность — физическая величина, отражающая скорость преобразования или передачи электрической энергии.

В более узком смысле, говорят, что электрическая мощность – это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

Если перефразировать данное определение менее научно, то получается, что мощность – это некое количество энергии, которое расходуется потребителем за определенный промежуток времени. Самый простой пример – это обычная лампа накаливания. Скорость, с которой лампочка превращает потребляемую электроэнергию в тепло и свет, и будет ее мощностью. Соответственно, чем выше изначально этот показатель у лампочки, тем больше она будет потреблять энергии, и тем больше отдаст света.

Поскольку в данном случае происходит не только процесс преобразования электроэнергии в некоторую другую (световую, тепловую и т.д.), но и процесс колебания электрического и магнитного поля, появляется сдвиг фазы между силой тока и напряжением, и это следует учитывать при дальнейших расчетах.

При расчете мощности в цепи переменного тока принято выделять активную, реактивную и полную составляющие.

Понятие активной мощности

Активная «полезная» мощность — это та часть мощности, которая характеризует непосредственно процесс преобразования электрической энергии в некую другую энергию. Обозначается латинской буквой P и измеряется в ваттах (Вт).

Рассчитывается по формуле: P = U⋅I⋅cosφ,

где U и I – среднеквадратичное значение напряжения и силы тока цепи соответственно, cos φ – косинус угла сдвига фазы между напряжением и током.

ВАЖНО! Описанная ранее формула подходит для расчета цепей с напряжением 220В, однако, мощные агрегаты обычно используют сеть с напряжением 380В. В таком случае выражение следует умножить на корень из трех или 1.73

Понятие реактивной мощности

Реактивная «вредная» мощность — это мощность, которая образуется в процессе работы электроприборов с индуктивной или емкостной нагрузкой, и отражает происходящие электромагнитные колебания. Проще говоря, это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю, а потом возвращается обратно в сеть.

Использовать в дело данную составляющую естественно нельзя, мало того, она во многом вредит сети питания, потому обычно его пытаются компенсировать.

Обозначается эта величина латинской буквой Q.

ЗАПОМНИТЕ! Реактивная мощность измеряется не в привычных ваттах (Вт), а в вольт-амперах реактивных (Вар).

Рассчитывается по формуле:

Q = U⋅I⋅sinφ,

где U и I – среднеквадратичное значение напряжения и силы тока цепи соответственно, sinφ – синус угла сдвига фазы между напряжением и током.

ВАЖНО! При расчете данная величина может быть как положительной, так и отрицательной – в зависимости от движения фазы.

Главным отличием реактивной (емкостной и индуктивной) нагрузки – наличие, собственно, емкости и индуктивности, которые имеют свойство запасать энергию и позже отдавать ее в сеть.

Коэффициент мощности cosφ (читается косинус фи)– это скалярная физическая величина, отражающая эффективность потребления электрической энергии. Проще говоря, коэффициент cosφ показывает наличие реактивной части и величину получаемой активной части относительно всей мощности.

Коэффициент cosφ находится через отношение активной электрической мощности к полной электрической мощности.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! При более точном расчете следует учитывать нелинейные искажения синусоиды, однако, в обычных расчетах ими пренебрегают.

Значение данного коэффициента может изменяться от 0 до 1 (если расчет ведется в процентах, то от 0% до 100%). Из расчетной формулы не сложно понять, что, чем больше его значение, тем больше активная составляющая, а значит лучше показатели прибора.

Индуктивная нагрузка преобразует энергию электрического тока сначала в магнитное поле (в течение половины полупериода), а далее преобразует энергию магнитного поля в электрический ток и передает в сеть. Примером могут служить асинхронные двигатели, выпрямители, трансформаторы, электромагниты.

ВАЖНО! При работе индуктивной нагрузки кривая тока всегда отстает от кривой напряжения на половину полупериода.

Емкостная нагрузка преобразует энергию электрического тока в электрическое поле, а затем преобразует энергию полученного поля обратно в электрический ток. Оба процесса опять же протекают в течение половины полупериода каждый. Примерами являются конденсаторы, батареи, синхронные двигатели.

ВАЖНО! Во время работы емкостной нагрузки кривая тока опережает кривую напряжения на половину полупериода.

Понятие полной мощности. Треугольник мощностей

Полная мощность – это геометрически вычисляемая величина, равная корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей соответственно. Обозначается латинской буквой S.

Также рассчитать полную мощность можно путем перемножения напряжения и силы тока соответственно.

S = U⋅I

ВАЖНО! Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА).

Треугольник мощностей – это удобное представление всех ранее описанных вычислений и соотношений между активной, реактивной и полной мощностей.

Катеты отражают реактивную и активную составляющие, гипотенуза – полную мощность. Согласно законам геометрии, косинус угла φ равен отношению активной и полной составляющих, то есть он является коэффициентом мощности.

Учет реактивной мощности двигателей

Теперь давайте посмотрим, как вычисляется активная энергия для тех же электродвигателей, от которых на 70-80% зависит работоспособность современного предприятия – они крутят насосы, станки, вентиляторы, конвейеры и т. д. и т.п. Раз это так, то кто-то должен постоянно следить за тем, чтобы потребление мощности не стало вдруг необоснованно завышенным. Конечно, осуществлять такой контроль, скорее всего, будет компьютер, но не без участия человека (инженера).

Более всего реактивная энергия мощности тратится попусту в тех случаях, когда двигатель работает на холостых оборотах и если для насосов или конвейеров это ничтожная часть, то для станков – весьма ощутимое разбазаривание реактива. Но, порог наиболее эффективной работы электродвигателей находится в пределах 60-100%, а при более низких показателях бесполезный расход энергии все больше и больше приближается к значению холостого хода. О чем это говорит? О том, что при проектировании цеха не следует завышать его мощности – на практике это пойдёт только во вред производству.

Примечание: мировая практика показывает, что в последнее время инженеры-технологи ведущих предприятий отказываются от фазных роторов и отдают предпочтение асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором.

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.

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.

Формулы

Поскольку реактивная мощность зависит от угла φ, то для её вычисления применяется формула: Q = UI×sin φ. Единицей измерения реактивной составляющей является вар или кратная ей величина  – квар.

Активную составляющую находят по формуле: P = U*I×cosφ. Тогда

Зная коэффициент Pf  (cos φ), мы можем рассчитать номинальную мощность потребителя тока по его номинальному напряжению, умноженному на значение силы потребляемого тока.

Понятие реактивной электроэнергии

Этот вид электроэнергии присущ цепям, в составе которых имеются реактивные элементы. Реактивная электроэнергия — это часть полной поступаемой мощности, которая не расходуется на полезную работу.

В электроцепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока реактивная составляющая возникает только в том случае, когда присутствует индуктивная или емкостная нагрузка. В таком случае наблюдается несоответствие фазы тока с фазой напряжения. Данный сдвиг фаз между напряжением и током обозначается символом «φ».

При индуктивной нагрузке в цепи наблюдается отставание фазы, при емкостной – ее опережение. Поэтому потребителю приходит только часть полной мощности, а основные потери происходят из-за бесполезного нагревания устройств и приборов в процессе эксплуатации.

Потери мощности происходят из-за наличия в электрических устройствах индуктивных катушек и конденсаторов. Из-за них в цепи в течение некоторого времени происходит накопление электроэнергии. После этого запасенная энергия поступает обратно в цепь. К приборам, в составе потребляемой мощности которых имеется реактивная составляющая электроэнергии, относятся переносные электроинструменты, электродвигатели и различная бытовая техника. Эта величина рассчитывается с учетом особого коэффициента мощности, который обозначается как cos φ.

Расчет реактивной электроэнергии

Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент.

Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7.

Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом. Баланс активной и реактивной мощности в цепи может быть наглядно представлен в виде этого забавного рисунка:

Различия

Разница между величинами в том, что активно действующая мощностная характеристика показывает КПД устройств, а реактивная является передачей этого КПД. Разница также наблюдается в определении, символе, формуле и значимости.

Вам это будет интересно  Особенности единиц измерения кВТ и кВА

Обратите внимание! Что касается значения, то вторая нужна лишь для того, чтобы управлять создавшимся напряжением от первой величины и преодолевать мощностные колебания.

Смысл реактивной нагрузки

Любая реактивная нагрузка создает временной сдвиг между фазами тока и напряжения. Эту величину измеряют в градусах. Наиболее наглядным является векторное представление электрических параметров. Если подключить индуктивность, напряжение будет опережать ток. Угол между ними обозначают в формулах буквой «ϕ» («Фи» греч.).

Временные и векторные диаграммы показывают, как изменяются основные параметры при подключении индуктивных (емкостных) элементов

На картинке показано, что при подключении емкостной нагрузки вектора «меняются» местами. В идеальных условиях сдвиг между векторами равен 90°. В действительности следует учитывать влияние электрического сопротивления цепи, несовершенство конструкций. С учетом особенностей элементов следует напомнить, что в индуктивности (емкости) при сохранении параметров источника питания плавно изменяется ток (напряжение), соответственно.

Почему в сети напряжение переменное

Для объяснения настоящей ситуации надо сделать краткий экскурс в историю. Электричество известно человеку сотни (по некоторым данным, тысячи лет). Однако действительно массовое использование этой энергии началось сравнительно недавно – в конце 19 века. Именно тогда (1879 г.) Эдисон запатентовал первый функциональный прибор, который помогал решать проблемы освещения. Для питания лампочек он стал монтировать сети постоянного тока.

Через десять лет Тесла создал генераторы переменного тока. После ожесточенной конкурентной борьбы именно его способ передачи энергии на расстояния одержал победу. Этот результат был обеспечен скорее рыночными методами, чем внимательным сравнением потребительских характеристик.

Электроприборы, влияющие на качество потребления

Учимся легко считать потребляемую мощность электроприбора

Коэффициент мощности равен единице при подключении ламп и нагревателей. Он уменьшается до 0,7 и менее, когда в цепи добавляют преобладающие по потреблению энергии электромоторы, другие компоненты с реактивными составляющими.

Правильное применение определений и расчетов мощности помогает оптимизировать проект электрической сети с учетом особенностей подключаемых нагрузок. Приведенные выше сведения пригодятся на стадии определения параметров проводки, защитных автоматов. Комплексное использование этих знаний повысит надежность электроснабжения, предотвратит возникновение и развитие аварийных ситуаций.

Предыдущая

РазноеЭнергия конденсатора

Следующая

РазноеАвтоматические выключатели

Измерение реактивной мощности — однофазный и многофазный варметр

Мощность, которая существует в цепи, когда напряжение и ток не совпадают по фазе друг с другом, такой тип мощности известен как реактивная мощность. Формула измеряет реактивную мощность в цепи

Измерение реактивной мощности имеет важное значение, поскольку значение реактивной мощности показывает общую мощность потерь в цепи. Если значение реактивной мощности низкое, коэффициент мощности нагрузки становится хуже, и в системе возникают большие потери. Электрическая система классифицируется по количеству фаз, используемых в цепи, и в соответствии с этими фазами варметр делится на два типа.

1. Однофазный Varrneter
2. Многофазный варметр

Однофазный варметр

Реактивная мощность однофазной цепи измеряется варметром (вольт-ампер-реактивный счетчик). Варметр представляет собой тип электродинамометрического ваттметра, в котором напорная катушка измерителя выполнена высокоиндуктивной. Термин «высокоиндуктивный» означает, что напряжение катушек давления отстает на угол 90° от напряжения катушки тока.

Ток, проходящий через катушку тока, является током нагрузки. Ток нагрузки имеет разность фаз 90° по отношению к напряжению питания и определяется уравнением, показанным ниже.

Принципиальная схема однофазного варметра показана на рисунке ниже.

Однофазный варметр дает неверный результат из-за присутствия гармоник. Если варметр измеряет показание на частоте, отличной от той, которую мы использовали при калибровке, то варметр также дает неточный результат.

Многофазный варметр

В цепи присутствует реактивная мощность из-за сдвига фаз между напряжением и током. И этот фазовый сдвиг получается от фазосдвигающего трансформатора. Фазоимпульсный трансформатор состоит из двух трансформаторов разомкнутой цепи, которые соединены по схеме разомкнутого треугольника. Катушка тока включена последовательно с линией. Катушка давления подключается к общим клеммам обоих автотрансформаторов.

57,7%, 100% и 115,4% показывают отвод автотрансформатора. Автотрансформатор показывает максимальное линейное напряжение 115,4%. Катушка давления одного ваттметра подключена к отводу 115,4% автотрансформатора, а другого — к отводу 57,7%.

Напряжение катушки ваттметра выдает напряжение равное линейному напряжению, но они имеют фазовый сдвиг на угол 90º. Точно так же катушка давления ваттметра 2 имеет разность фаз 90º. Арифметические показания обоих ваттметров дают общую реактивную мощность цепи.

Измерение реактивной мощности в симметричной трехфазной цепи

Метод одного ваттметра используется для измерения мощности симметричной трехфазной цепи. Катушка тока ваттметра подключена к одной фазе, а катушка давления – к другой фазе линии.

Пусть ток через катушку тока – I ₂

Напряжение на катушке давления – В ₁₃

Суммарный реактивный вольт-ампер цепи

9000 3

Фазовый угол

Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях

09 мая 2021 г.

Когда в цепи присутствуют индуктивность и емкость. Из-за свойства накопления энергии катушки индуктивности и конденсатора это приводит к тому, что напряжение и ток не совпадают по фазе. Чтобы преодолеть этот фазовый сдвиг, необходима дополнительная мощность, известная как реактивная мощность. Он обозначается Q и выражается в реактивных вольт-амперах (ВАР). Формула реактивной мощности имеет следующий вид:

Q = VI sin Φ

Измерение реактивной мощности часто необходимо для определения характера нагрузки и измерения коэффициента мощности. Посмотрим измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях.

Измерение реактивной мощности в однофазной цепи :

Однофазный варметр (реактивный вольт-амперметр) используется для измерения реактивной мощности в однофазных цепях. По сути, это электродинамический прибор, в котором катушка напряжения выполнена высокоиндуктивной реактивной, т. е. путем замены сопротивления катушки напряжения катушкой индуктивности. Ниже показана принципиальная схема однофазного варметра.

Из-за индуктивности ток в катушке напряжения находится в квадратуре с ее напряжением (т. е. ток отстает от напряжения на 90°). Это приводит к тому, что счетчик показывает,

VI cos(Φ — 90°) = VI sin Φ = Q

прибор работает не на той частоте, на которую он настроен. Также его нельзя использовать в цепях, работающих при высоких напряжениях.

Измерение реактивной мощности в трехфазной цепи:

Трехфазная симметричная нагрузка:

В трехфазных цепях, когда подключены сбалансированные нагрузки, измеренная реактивная мощность будет одинаковой во всех фазах. Следовательно, для измерения реактивной мощности требуется только один ваттметр.

Для измерения реактивной мощности катушка тока вставляется в любую фазу, а катушка напряжения подключается к оставшимся двум фазам, как показано ниже.

Учтите, катушка давления подключена между фазами R и B, а катушка тока вставлена ​​в фазу Y. в фазах R, Y, B соответственно

I _R , I _Y , I _B = среднеквадратичное значение токов в фазах R, Y, B соответственно

Φ = угол сдвига фаз между соответствующими напряжением и током.

Теперь для сбалансированной нагрузки имеем

V _R = V _Y = V _B = V _L = √3V _P (звезда)

и I _R = I _Y = I _B = I _L = I _P (звезда)

Таким образом, реактивная мощность или показания ваттметра на фазу являются произведением напряжения, тока и косинуса угла между ними, т. е.

Q = V _L I _L cos Φ

Q = √3V _P I _P cos Φ

Но из векторной диаграммы угол между напряжением катушки давления и текущим током катушки равен 90 + Φ. Поэтому, Таким образом, общая реактивная мощность = 3 В _P I _P sin Φ = -√3 × Q, а фазовый угол Φ определяется выражением

Трехфазная несбалансированная нагрузка:

В трехфазных цепях, когда подключены несбалансированные нагрузки, то реактивная мощность, измеренная в каждой фазе, будет разной. Таким образом, реактивная мощность в несимметричных нагрузках определяется с помощью метода двух ваттметров и метода трех ваттметров.

Для условий сбалансированной нагрузки реактивная мощность определяется как

Q = 3 VI sin Φ

Приведенное выше уравнение немного отличается для несбалансированных нагрузок. В сбалансированных нагрузках мгновенная мощность равна реактивной мощности. Но при несбалансированных нагрузках реактивная мощность будет равна его средней мощности.