Активное и реактивное сопротивление. Треугольник сопротивлений

Активное и реактивное сопротивление — сопротивлением в электротехнике называется величина, которая характеризует противодействие части цепи электрическому току. Это сопротивление образовано путем изменения электрической энергии в другие типы энергии. В сетях переменного тока имеется необратимое изменение энергии и передача энергии между участниками электрической цепи.

Активное и реактивное сопротивление

При необратимом изменении электроэнергии компонента цепи в другие типы энергии, сопротивление элемента является активным. При осуществлении обменного процесса электроэнергией между компонентом цепи и источником, то сопротивление реактивное.

В электрической плите электроэнергия необратимо преобразуется в тепло, вследствие этого электроплита имеет активное сопротивление, так же как и элементы, преобразующие электричество в свет, механическое движение и т.д.

В индуктивной обмотке переменный ток образует магнитное поле. Под воздействием переменного тока в обмотке образуется ЭДС самоиндукции, которая направлена навстречу току при его увеличении, и по ходу тока при его уменьшении. Поэтому, ЭДС оказывает противоположное действие изменению тока, создавая индуктивное сопротивление катушки.

С помощью ЭДС самоиндукции осуществляется возвращение энергии магнитного поля обмотки в электрическую цепь. В итоге обмотка индуктивности и источник питания производят обмен энергией. Это можно сравнить с маятником, который при колебаниях преобразует потенциальную и кинетическую энергию. Отсюда следует, что сопротивление индуктивной катушки имеет реактивное сопротивление.

Самоиндукция не образуется в цепи постоянного тока, и индуктивное сопротивление отсутствует. В цепи емкости и источника переменного тока изменяется заряд, значит между емкостью и источником тока протекает переменный ток. При полном заряде конденсатора его энергия наибольшая.

В цепи напряжение емкости создает противодействие течению тока своим сопротивлением, и называется реактивным. Между конденсатором и источником происходит обмен энергией.

После полной зарядки емкости постоянным током напряжение его поля выравнивает напряжение источника, поэтому ток равен нулю.

Конденсатор и катушка в цепи переменного тока работают некоторое время в качестве потребителя энергии, когда накапливают заряд. И также работают в качестве генератора при возвращении энергии обратно в цепь.

Если сказать простыми словами, то активное и реактивное сопротивление – это противодействие току снижения напряжения на элементе схемы. Величина снижения напряжения на активном сопротивлении имеет всегда встречное направление, а на реактивной составляющей – попутно току или навстречу, создавая сопротивление изменению тока.

Настоящие элементы цепи на практике имеют все три вида сопротивления сразу. Но иногда можно пренебречь некоторыми из них ввиду незначительных величин. Например, емкость имеет только емкостное сопротивление (при пренебрежении потерь энергии), лампы освещения имеют только активное (омическое) сопротивление, а обмотки трансформатора и электромотора – индуктивное и активное.

Активное сопротивление

В цепи действия напряжения и тока, создает противодействие, снижения напряжения на активном сопротивлении. Падение напряжения, созданное током и оказывающее противодействие ему, пропорционально активному сопротивлению.

При протекании тока по компонентам с активным сопротивлением, снижение мощности становится необратимым. Можно рассмотреть резистор, на котором выделяется тепло. Выделенное тепло не превращается обратно в электроэнергию. Активное сопротивление, также может иметь линия передачи электроэнергии, соединительные кабели, проводники, катушки трансформаторов, обмотки электромотора и т.д.

Отличительным признаком элементов цепи, которые обладают только активной составляющей сопротивления, является совпадение напряжения и тока по фазе. Это сопротивление вычисляется по формуле:

R = U/I, где R – сопротивление элемента, U – напряжение на нем, I – сила тока, протекающего через элемент цепи.

На активное сопротивление влияют свойства и параметры проводника: температура, поперечное сечение, материал, длина.

Реактивное сопротивление

Тип сопротивления, определяющий соотношение напряжения и тока на емкостной и индуктивной нагрузке, не обусловленное количеством израсходованной электроэнергии, называется реактивным сопротивлением. Оно имеет место только при переменном токе, и может иметь отрицательное и положительное значение, в зависимости от направления сдвига фаз тока и напряжения. При отставании тока от напряжения величина реактивной составляющей сопротивления имеет положительное значение, а если отстает напряжение от тока, то реактивное сопротивление имеет знак минус.

Активное и реактивное сопротивление, свойства и разновидности

Рассмотрим два вида этого сопротивления: емкостное и индуктивное. Для трансформаторов, соленоидов, обмоток генераторов и моторов характерно индуктивное сопротивление. Емкостный вид сопротивления имеют конденсаторы. Чтобы определить соотношение напряжения и тока, нужно знать значение обоих видов сопротивления, которое оказывает проводник.

Реактивное сопротивление образуется при помощи снижения реактивной мощности, затраченной на образование магнитного поля в цепи. Снижение реактивной мощности создается путем подключения к трансформатору прибора с активным сопротивлением.

Конденсатор, подключенный в цепь, успевает накопить только ограниченную часть заряда перед изменением полярности напряжения на противоположный. Поэтому ток не снижается до нуля, так как при постоянном токе. Чем ниже частота тока, тем меньше заряда накопит конденсатор, и будет меньше создавать противодействие току, что образует реактивное сопротивление.

Иногда цепь имеет реактивные компоненты, но в результате реактивная составляющая равна нулю. Это подразумевает равенство фазного напряжения и тока. В случае отличия от нуля реактивного сопротивления, между током и напряжением образуется разность фаз.

Катушка имеет индуктивное сопротивлением в схеме цепи переменного тока. В идеальном виде ее активное сопротивление не учитывают. Индуктивное сопротивление образуется с помощью ЭДС самоиндукции. При повышении частоты тока возрастает и индуктивное сопротивление.

На индуктивное сопротивление катушки оказывает влияние индуктивность обмотки и частота в сети.

Конденсатор образует реактивное сопротивление из-за наличия емкости. При возрастании частоты в сети его емкостное противодействие (сопротивление) снижается. Это дает возможность активно его применять в электронной промышленности в виде шунта с изменяемой величиной.

Треугольник сопротивлений

Схема цепи, подключенной к переменному току, имеет полное сопротивление, которое можно определить в виде суммы квадратов реактивного и активного сопротивлений.

Если изобразить это выражение в виде графика, то получится треугольник сопротивлений. Он образуется, если рассчитать последовательную цепь всех трех видов сопротивлений.

По этому треугольному графику можно увидеть, что катеты представляют собой активное и реактивное сопротивление, а гипотенуза является полным сопротивлением.

Похожие темы:

реактивное напряжение — это… Что такое реактивное напряжение?

реактивное напряжение

reactive voltage

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

• реактивное масло
• реактивное напряжение искрения

Смотреть что такое «реактивное напряжение» в других словарях:

• реактивное напряжение — reaktyvioji įtampa statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. reactance voltage; reactive voltage; wattless voltage vok. Blindspannung, f; reaktive Spannung, f; wattlose Spannung, f rus. реактивное напряжение, n pranc. tension déwattée, f;… …   Fizikos terminų žodynas

• реактивное напряжение искрения (под щётками электрической машины) — — [Я. Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN sparking voltage …   Справочник технического переводчика

• реактивное образование — Этимология. Происходит от лат. re… против + actio действие. Категория. Форма психологической защиты. Специфика. Характеризуется тем, что при его реализации происходит трансформация в сознании эмоционального отношения к объекту на… …   Большая психологическая энциклопедия

• реактивное сопротивление электрической цепи — реактивное сопротивление электрической цепи; отрасл. реактанц Величина, равная корню квадратному из разности квадратов полного и активного сопротивления цепи, взятая со знаком плюс, если ток отстает по фазе от напряжения, и взятая со знаком минус …   Политехнический терминологический толковый словарь

• реактивное сопротивление — Параметр пассивного двухполюсника, равный квадратному корню из разности квадратов полного и активного электрических сопротивлений двухполюсника, взятому со знаком плюс, если электрический ток отстает по фазе от электрического напряжения, и со… …   Справочник технического переводчика

• реактивное сопротивление — 147 реактивное сопротивление Параметр пассивного двухполюсника, равный квадратному корню из разности квадратов полного и активного электрических сопротивлений двухполюсника, взятому со знаком плюс, если электрический ток отстает по фазе от… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Реактивное сопротивление ндп. Реактанц — English: Reactive resistance Параметр электрической цепи или ее схемы, равное корню квадратному из разности квадратов полного и активного сопротивлений цепи, взятому со знаком плюс, если ток отстает по фазе от напряжения, и со знаком минус, если… …   Строительный словарь

• Реактивное сопротивление — 1. Параметр пассивного двухполюсника, равный квадратному корню из разности квадратов полного и активного электрических сопротивлений двухполюсника, взятому со знаком плюс, если электрический ток отстает по фазе от электрического напряжения, и со… …   Телекоммуникационный словарь

• РЕАКТИВНЫЙ — РЕАКТИВНЫЙ, реактивная, реактивное (хим., физ.). 1. Служащий реактивом. Реактивные вещества. 2. Обладающий самоиндукцией или электрической емкостью. Реактивное сопротивление. Реактивные катушки. || Обнаруживающийся при проходе переменного тока… …   Толковый словарь Ушакова

• реактивная составляющая напряжения (КЗ) — реактивное напряжение — [Я.

  Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы реактивное напряжение EN reactance… …   Справочник технического переводчика

• Кровяное давление — I Кровяное давление Кровяное давление давление крови на стенки кровеносных сосудов и камер сердца; важнейший энергетический параметр системы кровообращения, обеспечивающий непрерывность кровотока в кровеносных сосудах, диффузию газов и фильтрацию …   Медицинская энциклопедия

Reactance

http://en.wikipedia.org  Wikipedia, свободная энциклопедия

Реактивное сопротивление — это мнимая часть импеданса (импедансом называется полное (комплексное) сопротивление цепи переменного тока), которая показывает меру противодействия синусоидальному переменному току. Реактивное сопротивление возникает в присутствии индуктивности и ёмкости в цепи, и обозначается символом X; единица СИ — Ом.

 

(В этом разделе знак тильда (~) будет использован для обозначения векторов или комплексных величин, а буквы без дополнительных знаков обозначают модули векторов соответствующих величин, а также скалярные величины.)

Для определения импеданса   требуется как реактивное сопротивление X, так и резистивное (активное) сопротивление R. Несмотря на то, что в некоторых обстоятельствах реактивное сопротивление может доминировать, требуется хотя-бы приблизительное знание активного сопротивления  для определения импеданса. 

Как модуль, так и фаза  импеданса зависят от обоих сопротивлений – и от активного и от реактивного:

Модуль импеданса — это отношение амплитуд напряжения и тока, тогда как фаза - это разница между фазами напряжения и тока. 

• Если X>0 говорят, что реактивное сопротивление является индуктивным
• Если X=0 говорят, что импеданс чисто резистивный (активный)
• Если X<0 говорят, что реактивное сопротивление является ёмкостным

Физическое значение

Определение соотношений между током и напряжением требует знания, как активного, так и реактивного сопротивлений. Реактивное сопротивление само по себе даёт только ограниченную физическую информацию об электрическом устройстве или электрической цепи:

1. Величина реактивного сопротивления показывает меру противодействия цепи только переменному току, и зависит от частоты переменного тока. 
2. Положительное реактивное сопротивление подразумевает, что фаза напряжения опережает фазу тока, в то время как отрицательное реактивное сопротивление подразумевает, что фаза напряжения отстаёт от фазы тока.
3. Нулевое реактивное сопротивление подразумевает, что ток и напряжение совпадают по фазе и наоборот, если реактивное сопротивление не равно нулю, тогда существует разность фаз между напряжением и током.         

Есть случаи, когда  в цепи есть реактивные элементы, но результируюшее реактивное сопротивление цепи равно нулю, для примера: резонанс в RLC-цепи случается, когда реактивные импедансы

Z_C и Z_L взаимоуничтожаются. Это значит, что импеданс имеет фазу, равную нулю (специфический пример нулевого реактивного сопротивления для случая 3. выше).

Ёмкостное реактивное сопротивление

Ёмкостное реактивное сопротивление Xc обратнопропорционально частоте сигнала  и ёмкости C.

Ёмкостной элемент называется конденсатором. Конденсатор состоит из двух проводников, отделённых друг от друга изолятором, тоесть диэлектриком.

При низких частотах или в цепи постоянного тока конденсатор разрывает (размыкает) цепь, так как ток не может течь через диэлектрик. Если к изначально разряженному конденсатору прикладывают постоянное напряжение – в начальный момент на обкладках конденсатора индуцируются заряды, электрическое поле котрых противоположно полю внешнего источника напряжения. Поэтому ток в этот начальный момент в цепи максимален. Затем потенциалы источника питания и конденсатора точно уравниваются, и ток в цепи прекращается.

Конденсатор, включённый в цепь переменного тока, будет успевать накапливать только ограниченный заряд перед тем, как разность потенциалов изменит знак на противоположный. Тоесть ток не будет успевать упасть до нуля, как в случае цепи постоянного тока. Чем выше частота, тем меньший заряд будет аккумулироваться в конденсаторе, и тем меньше конденсатор будет противодействовать внешнему току (сопротивление уменьшается).

Индуктивное реактивное сопротивление

Индуктивное реактивное сопротивление X_Lпрямопропорционально частоте сигнала и индуктивности L.

Индуктивный элемент представляет собой катушку индуктивности, тоесть длинный проводник, например проволока, намотанный в виде катушки. Изнутри катушка может быть пустая или содержать магнетик. Закон электромагнитной индукции Фарадея устанавливает, что ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Эта ЭДС часто называется противо-ЭДС.

Если индуктивность представляет собой катушку содержащую N витков.

В общем случае ЭДС является следствием изменения магнитного потока в контуре. Но это изменение магнитного потока может иметь разные причины: движение магнита, движение другой катушки с током, изменение собственного тока контура. Последний случай носит название – явление самоиндукции, которое и лежит в основе индуктивного реактивного сопротивления.

В свою очередь противо-ЭДС вызывает в контуре индукционный ток, который направлен противоположно току источника питания. Точная форма правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток, через контур, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Если к изначально неподключенной катушке индуктивности подключают источник постоянного тока – в начальный момент в катушке начинает течь ток от внешнего источника. Он вызывает изменение магнитного потока. Изменение магнитного потока порождает противо-ЭДС. Противо-ЭДС вызывает противоток. Этот противоток в начальный момент равен току источника.

При низких частотах или в цепи постоянного тока катушка индуктивности проводит электрический ток беспрепятственно, и может рассматриваться как короткозамкнутый участок цепи, тоесть проводник с низким сопротивлением. Если к изначально неподключенной катушке индуктивности подключают источник постоянного тока – в начальный момент в катушке возникает противоток, равный току внешнего источника. Поэтому для идуктивного элемента в этот начальный момент результирующий ток равен нулю, а напряжение максимально. Затем токи источника и индуктивного элемента уравниваются и напряжение на индуктивном элементе становится равным нулю.

Ток в катушке индуктивности, включённой в цепь переменного тока, будет успевать возрасти только до определённого значения перед тем, как ток источника питания изменит знак на противоположный. Тоесть напряжение (на выводах катушки индуктивности) не будет успевать упасть до нуля, как в случае цепи постоянного тока. Чем выше частота, тем выше напряжение на выводах катушки индуктивности (сопротивление увеличивается).

Фазные соотношения

Фаза напряжения приложенного к чисто реактивному устройству (устройству с нулевым активным сопротивлением) отстаёт от фазы тока на Pi/2 для ёмкости и опережает фазу тока на Pi/2 для индуктивности. Необходимо отметить, что для определения соотношений между током и напряжением необходимо знать как активное, так и реактивное сопротивление.

Причина различных знаков ёмкостного и индуктивного сопротивлений заключается в определении фазной переменной импеданса.

Для реактивного элемента цепи синусоидальное напряжение на элементе сдвинуто по фазе на 90 градусов (Pi/2 радиан) относительно тока. Элемент поочерёдно то поглащает энергию из сети, то затем возвращает энергию обратно в сеть, поэтому чисто реактивное сопротивление не поглащает энергию.

 

Реактивное сопротивление конденсатора + Калькулятор

Реактивным называется сопротивление, препятствующее прохождению переменного электротока в цепи под действием конденсатора или катушки индуктивности, включенных в эту цепь. Это связано со свойствами индуктивности, которая выступает в качестве обычного проводника для постоянного тока с бесконечно малым сопротивлением. В тех же условиях конденсатор уже становится диэлектриком с возрастающим сопротивлением.

Свойства реактивного сопротивления конденсатора

При переменном токе реактивное сопротивление конденсатора оказывает влияние на такие параметры, как частота самого тока, индуктивность катушки или емкость. Из-за этого свойства конденсатор получил наименование реактивного элемента или реактивного электронного компонента.

В каждом заряженном конденсаторе присутствует электрический ток. В этих условиях он является составной частью процесса зарядки и разрядки, когда электрическое поле, образующееся между обкладками, накапливает или отдает энергию.

Установленный в цепь переменного тока, конденсатор будет накапливать энергию, то есть заряжаться, до определенного максимума, пока направление тока не изменится на противоположное. Поэтому при амплитудном значении напряжения, ток в конденсаторе будет иметь нулевое значение. В результате, ток и напряжение конденсатора будут постоянно расходиться во времени на четверть периода. Таким образом, падение напряжения на конденсаторе ограничивает ток во всей цепи, создавая реактивное сопротивление. Его значение обратно пропорционально частоте тока и емкости конденсатора.

Если к конденсатору подвести напряжение U, в этом случае начнется уменьшение тока от максимума до нуля. Одновременно, напряжение на его выводах будет возрастать от нулевого до максимального значения. В этом случае напряжение на обкладках конденсатора отстает по фазе от тока на угол, равный 90 градусам. Данное явление получило название отрицательного сдвига фаз.

Практическое использование реактивного сопротивления

С помощью конденсаторных установок осуществляется компенсация реактивной мощности. Через электрические сети высоковольтная электроэнергия передается на большие расстояния. В большинстве случаев она потребляется электродвигателями с резистивными элементами и значительным индуктивным сопротивлением.

Полная мощность, поступающая к потребителям, включает в себя активную составляющую Р, с помощью которой совершается полезная работа, и реактивную составляющую Q, приводящую к нагреву обмоток электродвигателей и трансформаторов. Качество электроэнергии существенно снижается под действием реактивной составляющей, возникающей на индуктивных сопротивлениях. Для того чтобы ликвидировать ее негативное воздействие, была разработана специальная схема компенсации. С этой целью подключались конденсаторные батареи, емкостное сопротивление которых способствовало понижению косинуса угла ф.

Установка таких конденсаторных батарей практиковалась в основном на подстанциях, осуществляющих непосредственную поставку электроэнергии проблемным потребителям. Данное мероприятие позволяло эффективно регулировать качество поставляемой энергии.

Снижение уровня реактивной компоненты способствует существенному уменьшению нагрузки на установленное оборудование, хотя активная мощность остается на одном и том же уровне. Используя реактивное сопротивление конденсатора, удалось добиться экономии электроэнергии на предприятиях промышленного производства и объектах жилищно-коммунального хозяйства, повысить надежность работы энергетических систем.

Расчет онлайн

Однофазные цепи переменного тока (страница 2)

Решение:
Полное сопротивление схемы

Полная мощность на входе схемы

Потери мощности в обмотке катушки

Активная мощность схемы

Коэффициент мощности схемы

Из таблиц тригонометрических величин .
Активное сопротивление схемы

сопротивление дуги

Индуктивное сопротивление цепи представлено индуктивным сопротивлением катушки:

Эту же величину можно определить из треугольника сопротивлении (рис. 25, масштаб )

Искомая индуктивность катушки

Если бы вместо катушки был включен реостат, то сопротивление схемы имело бы ту же величину 6 Ом, но было бы чисто активным:

откуда

Потери мощности в катушке

Потери мощности в реостате

Отсюда ясно, что к. п. д. схемы выше при «погашении» избытка напряжения индуктивной катушкой. Действительно, к. п. д. при наличии катушки

к. п. д. при наличии реостата

Не следует забывать, что «погашение» избытка напряжения катушкой (или конденсатором) ухудшает коэффициент мощности (в данном примере при наличии катушки и при наличии реостата).

22. Последовательно с катушкой, параметры которой и L=15,92 мГн, включен реостат сопротивлением, . Цепь включена на напряжение U=130 В при частоте f=50 Гц.
Определить ток в цепи; напряжение на катушке и реостате; коэффициент мощности цепи и катушки.

Решение:
Индуктивное сопротивление катушки

Полное сопротивление катушки

Активное сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки и реостата,

Полное сопротивление цепи

На основании закона Ома ток в цепи

Напряжение на катушке

Напряжение на реостате

Арифметическая сумма много больше приложенного напряжения U=130 В. Коэффициент мощности цепи

Коэффициент мощности катушки

Следовательно, реостат увеличивает коэффициент мощности и сопротивление цепи, но уменьшает ток, увеличивает потребление энергии схемой.
Действительно, активная мощность катушки

активная мощность реостата

Так как цепь неразветвленная и ток один, то с него целесообразно начать построение векторной диаграммы (рис. 26).
Напряжение на реостате, представляющем собой чисто активное сопротивление, совпадает по фазе с током; на диаграмме вектор этого напряжения совпадает по направлению с вектором тока. Из конца вектора в сторону опережения вектора тока I, под углом в сторону, противоположную вращению стрелки часов, откладываем вектор напряжения на катушке . Векторы построены так с целью сложения по правилу многоугольника.

23. Неразветвленная цепь составлена из двух катушек: у первой катушки индуктивность и сопротивление , у второй катушки индуктивность и сопротивление .
Определить ток в цепи и напряжения на каждой катушке, а также построить в масштабе векторную диаграмму, если частота f=50 Гц и приложенное напряжение U=12,6 В.

Решение:
Индуктивное сопротивление первой катушки

т. е. оно численно равно активному сопротивлению , что обусловливает отставание тока по фазе от напряжения на 1/8 периода (на 45°).
Действительно, тангенс угла сдвига фаз

Индуктивное сопротивление второй катушки

Так как ее активное сопротивление то тангенс угла сдвига фаз

Построим в масштабе треугольник сопротивлений для рассматриваемой цепи. Для этого зададимся масштабом сопротивлений . Тогда на диаграмме сопротивление 1,57 Ом будет изображено отрезком 15,7 мм, сопротивление 2,7 Ом — отрезком 27 мм и т. д. На рис. 27 отрезок, изображающий активное сопротивление , отложен в горизонтальном направлении, а отрезок, изображающий индуктивное сопротивление , — в вертикальном направлении под прямым углом к .

Полное сопротивление первой катушки является гипотенузой прямоугольного треугольника. Из вершины с этого треугольника в горизонтальном направлении отложен отрезок, изображающий сопротивление , и под прямым углом к нему вверх — отрезок, изображающий сопротивление . Гипотенуза се прямоугольного треугольника означает полное сопротивление второй катушки.
Из рис. 27 видно, что отрезок ае, изображающий полное сопротивление z неразветвленной цепи из двух катушек, не равен сумме отрезков ас и се, т. е. . Чтобы определить полное сопротивление z рассматриваемой цепи, следует сложить отдельно активные (, отрезок аf) и индуктивные (, отрезок ef) сопротивления катушек.
Гипотенуза ае, означающая полное сопротивление z цепи, определяется по теореме Пифагора:

Ток в цепи определяется по закону Ома:

Напряжение на первой катушке

Напряжение на второй катушке

Строим векторную диаграмму (рис. 28), приняв масштабы:
а) для тока ; тогда вектор тока изобразится отрезком длиной 25 мм;
б) для напряжения ; при этом вектор напряжения будет иметь длину 55,2 мм, вектор напряжения — длину 71 мм, а вектор приложенного напряжения — длину 126 мм.
Начало вектора совмещено с концом вектора для возможности сложения векторов напряжений но правилу многоугольника (напряжение, приложенное к неразветвленной цепи катушек, равно геометрической сумме напряжений отдельных катушек).

 

Задачи на цепи переменного тока

В электротехнике большое количество задач посвящено цепям переменного тока. Рассмотрим примеры решения некоторых из них.

Задача 1

 В сеть переменного тока включены последовательно катушка индуктивностью 3 мГн и активным сопротивлением 20 Ом и конденсатор емкостью 30 мкФ. Напряжение Uc на конденсаторе 50 В. Определите напряжение на зажимах цепи, ток в цепи, напряжение на катушке, активную и реактивную мощность.

 

Решение задачи начнём с определения тока в цепи, но для этого нужно сначала определить реактивное сопротивление конденсатора.

Как известно, реактивное сопротивление конденсатора зависит от частоты переменного тока (при её увеличении уменьшается, а при её уменьшении увеличивается), следовательно 

Ток в цепи находим из соображения, что элементы в цепи соединены последовательно, а значит, ток на конденсаторе и катушке будет одним и тем же. 

Следующим шагом мы определяем индуктивное сопротивление и напряжение катушки 

Зная активное сопротивление обмотки катушки, можем определить падение напряжения на нем 

Теперь, когда мы знаем напряжение на каждом из элементов, мы можем определить напряжение на зажимах цепи, которое будет равно

Активную мощность в данном случае можно определить как мощность, выделяемую на обмотке катушки 

Для определения реактивной мощности необходимо для начала определить угол сдвига ϕ 

Так как реактивная мощность имеет отрицательное значение, то цепь имеет емкостной характер. 

Задача 2

В цепи как показано на схеме, подключены катушка, конденсатор и резисторы. Индуктивность катушки – 15 мГн, емкость конденсатора 20 мкФ, R1=10 Ом, R2=30 Ом. Напряжение источника 100 В, частота 100 Гц. Определить токи в цепи, активную, реактивную и полную мощность в цепи. 

Данную задачу удобнее решать с помощью проводимостей, так как катушка и конденсатор соединены параллельно.

Тогда активная проводимость первой ветви равна 

Реактивная проводимость первой ветви равна

Полная проводимость первой ветви

Аналогичный расчет произведем для второй ветви содержащей конденсатор 

Полная проводимость цепи

Токи в цепи определим зная напряжение и проводимости 

Коэффициент мощности определим по формуле

Активная мощность

 

Реактивная мощность 

Полная мощность 

Читайте также — расчет простых цепей постоянного тока 

Просмотров: 40348

Реактивные напряжения — Энциклопедия по машиностроению XXL

Таким образом, знание собственных и реактивных напряжений в типовых сварных узлах (неоднократно используемых в одной и той же конструкции) дает полное представление об остаточной напряженности конструкции в целом. Настоящий  [c.279]

Разработанный метод [88,. 118] определения реактивных напряжений базируется на следующих закономерностях кинетики деформирования при сварке.  [c.298]

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ. ОБУСЛОВЛЕННЫХ СВАРКОЙ ШТУЦЕРНЫХ СОЕДИНЕНИИ  [c.299]

Рис. 5.14. Геометрические размеры и схема узла типа подкрепленного отверстия (а) и результаты расчета реактивных напряжений (б)

При решении деформационной задачи предполагается отсутствие искривления образующей цилиндра, подкрепляющего отверстие, что обеспечивает консервативность оценки величины реактивных напряжений.  [c.300]

Принимая эти допущения и решая термодеформационную задачу о сварке соединения подкрепления отверстия один раз, а также определяя объем продольного и поперечного укорочения шва, можно определить реактивные напряжения для любой геометрии рассматриваемого узла, пользуясь решением деформационной задачи.  [c.300]

Результаты расчетов, выполненных с использованием полученных соотношений, сравнивались с осредненными по толщине значениями напряжений при решении МКЭ соответствующей термодеформационной задачи. Сопоставление этих результатов (рис. 5.14,6) продемонстрировало хорошее их соответствие. Таким образом, предложенный метод по точности определения реактивных напряжений не уступает одному из наиболее надежных численных методов решения подобных задач, основанных на МКЭ, но при этом позволяет значительно сократить время и трудоемкость выполнения расчетной оценки реактивных напряжений в сварных узлах указанного выше типа.  [c.303]

Используя разработанный метод [см. формулы (5.12)], был проведен расчет реактивных напряжений, вызванных сваркой штуцеров различных диаметров в диск толщиной h = 40 мм [ 2 = 60 мм, 3 — = 25 мм (рис. 5.14,а)]. Начальные деформации рассчитывали по зависимостям (5.3). Их значения составили еее = —0,0017, 6°/- = —0,015. Необходимая информация для расчета по этим формулам была получена из ранее проведенного расчета соответствующей термодеформационной  [c.303]

Рис. 5.15. Зависимость собственных реактивных напряжений от радиуса шва штуцера Rm

Распределение реактивных напряжений по несущему элементу (диску) можно определить с помощью решения задачи Ляме [229]  [c.304]

С увеличении радиуса цилиндра, подкрепляющего отверстие, и соответственно радиуса шва реактивные напряжения уменьшаются (рис. 5.15).  [c.304]

Ширина зоны растягивающих реактивных напряжений (рис. 5.16) определяется независимо от радиуса шва одним и тем же выражением  [c.304]

S.2.2.2. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИИ.  [c.305]

Методика расчета реактивных напряжений, обусловленных сваркой заделок, аналогична методике расчета реактивных напряжений, вызванных сваркой узлов подкрепления отверстий. При анализе реактивных напряжений в районе заделок используются следующие допущения [88].  [c.305]

Рассчитанные реактивные напряжения, возникающие от заделок различных размеров (г = 40 мм), сваренных низколегированными сварочными материалами с предварительным подогревом, представлены на рис. 5.18. Реактивные напряжения, возникающие от заделок, сваренных низколегированными материалами без подогрева, ниже, чем при сварке с подогревом.  [c.307]

Из рис. 5.18 видно, что с увеличением размера заделки поперечные реактивные напряжения уменьшаются. Уровень напряжений практически не зависит от соотношений сторон, а является только функцией абсолютного размера стороны листа, относительно которой рассматриваются поперечные реактивные напряжения. Здесь и далее в основном будут рассматриваться поперечные реактивные напряжения. Поэтому в дальнейшем, за исключением особых случаев, когда необходимо подчеркнуть компоненту реактивных напряжений, поперечные реактивные напряжения будем называть просто реактивными напряжениями.  [c.307]

Лирина зоны действия растягивающих реактивных напряжений ограничивается размером сторон заделки L или (рис. 5.18).  [c.307]

На рис. 5.19 представлены зависимости коэффициента снижения реактивных напряжений т) г = ап/а%, где Or — максимальное реактивное напряжение в сечении, находящемся на расстоянии от границы шва заделки, равном j ад — собственные-реактивные напряжения, равные максимальным напряжениям, действующим на границе шва заделки) от относительного рас-  [c.308]

Рис. 5.18. Распределение реактивных напряжений Охх и Оуу в узлах типа заделка (вследствие симметрии относительно осей координат у и х показана 1/4 узла) а б в — заделка размером 1000 X ЮОО 1000 X X 2000 2000 X 2000 мм

СТОЯНИЯ xjL. Видно, что кривые для различных заделок расположены очень близко, если анализ реактивных напряжений производится относительно равных по длине сторон заделки.  [c.309]

Таким образом, выполненный анализ реактивных напряжений в сочетании с имеющимися данными по распределению собственных ОСН в узлах, образованных типовыми сварными соединениями, позволяет принципиально определить напряженное состояние любого узла после окончания сварки конструкции в целом. Реактивные напряжения определяются на основе кривых представленных на рис. 5.15. 5-19. По известным размерам источников реактивных напряжений, действующих на рассматриваемый узел, определяются собственные реактивные напряжения каждого источника о . По известным расстояниям между рассматриваемым узлом и источником реактивных напряжений находятся коэффициенты снижения реактивных напряжений для каждого из источников. Зная и т) для всех соседних  [c.309]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИИ  [c.310]

С целью обоснования тех или иных положений, используемых при разработке методов расчета реактивных напряжений, был проведен ряд экспериментов и соответствующих расчетов по определению реактивных напряжений, вызванных сваркой шту-деров и заделок, а также сваркой пластин, заделанных в жесткой раме. Поскольку реактивные напряжения равномерно распределены по толщине свариваемых листов, можно было использовать любые методы измерения напряжений по поверхности соединения, а также ультразвуковой метод, определяющий среднеинтегральные по толщине листа напряжения.  [c.310]

Для обоснования этого положения было проведено экспериментальное исследование реактивных напряжений, вызванных сваркой пластин, заделанных в жесткую раму (рис. 5.20). При  [c.310]

Две одинаковые пластины приваривали к разным сторонам жесткой рамы. Затем производили сварку пластин (последним выполняли средний шов). Розетки тензодатчиков наклеивали по оси X после сварки пластин. Реактивные напряжения определяли по деформациям тензодатчиков после вырезки пластин  [c.311]

Рис. 5.20. Распределение реактивных напряжений а в пластинах, сваренных в жесткой раме

Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов демонстрирует хорошее их соответствие (максимальное расхождение не превышает 35 МПа). Следует обратить внимание,, что, как в случае расчетного анализа, так и экспериментального реактивные напряжения, вызванные сваркой аустенитными материалами, примерно в 1,5 раза больше, чем вызванные сваркой, низколегированными металлами.  [c.311]
Одним из основных положений разработанной методики определения остаточной напряженности конструкции является принцип суперпозиции от каждого сварного узла (при отсутствии пластического деформирования в результате взаимодействия напряжений от различных узлов). Для проверки этого-положения были проведены расчеты по определению реактивных напряжений, вызванных вваркой плиты в жесткую раму с последующей вваркой штуцера в плиту. Результаты расчетов сопоставимы с имеющимися экспериментальными данными  [c.311]

Рис. 5.21. Распределение реактивных напряжений и а у в плите размером 600 X 600 (а) и 1000 X 1000 мм (б)

КОЙ штуцера. Итоговое поле реактивных напряжений определяли как результат суперпозиции полей напряжений, полученных на первом и втором этапах.  [c.312]

Из рис. 5.21 видно достаточно хорошее соответствие результатов расчета и экспериментальных данных (максимальное расхождение не превышает 90 МПа), что свидетельствует о правомерности в ряде случаев использования принципа суперпозиции при определении суммарных реактивных напряжений в конструкциях, содержащих много сварных узлов.  [c.312]

Из приведенного расчетного анализа следует, что при уменьшении диаметра штуцера величина а% и градиент падения реактивных напряжений увеличиваются. Такая тенденция может привести к ситуации, при которой изменения диаметра штуцера практически не приводят к изменению поля реактивных напряжений (рис. 5.22). С целью проверки такого положения были проведены эксперименты по определению реактивных напряжений в плите, вызванных сваркой аустенитными материалами штуцеров различных диаметров. Измерение напряжений прово-  [c.312]

Для обоснования этих предположений было проведено экспериментальное исследование реактивных напряжений в плите, вызванных сваркой штуцеров (металл шва — аустенит — рис. 5.23) методика измерения реактивных напряжений идентична рассмотренной в п. 3. Штуцера вваривали последовательно слева направо. При этом ОСН каждого последующего  [c.314]

Рис. 5.23. Распределение поперечных (радиальных) реактивных напряжений в плите по сечениям I—2,…, 15—16 (х — координата, отсчитываемая от границы шва)

С достаточной степенью точности ОСН исследуемого сварного узла конструкции могут быть оценены на основе предположения [88, 118], что предварительное напряженное состояние , возникающее после сварки соседних элементов конструкции, не влияет на формирование ОСН в рассматриваемом узле конструкции и что ОСН исследуемого узла конструкции определяются взаимодействием (при отсутствии пластического деформирования— суперпозицией) собственных ОСН, возникающих при сварке рассматриваемого узла, и напряжений, действующих от соседних сварных узлов (так называемых реактивных напряжений) — рис. 5.4. Отметим, что дифференцирование ОСН на собственные и реактивные является удобной инженерной схемати-  [c.278]

Ранее было введено понятие реактивных напряжений — напряжений, действующих от соседних сварных узлов на рассматриваемый узел. При таком определении собственные ОСН любого узла могут выступать в качестве реактивных в случае, если проводится анализ остаточной напряженности после сварки соседнего узла. Следовательно, для оиредблёния ОСН в конструкции в целом принципиально необходимо знать распределение собственных сварочных напряжений для всех сварных узлов.  [c.297]

В oTBef TBeHHHx высоконагруженных конструкциях во многих случаях запрещено располагать сварные швы друг от друга ближе, чем на одну-две толщины свариваемых листов [365]. Следовательно, при расчете напряженного состояния рассматриваемого узла должны приниматься во внимание только те соседние узлы, зона возмущения реактивных напряжений от которых больше одной-двух толщин свариваемого листа. Такое условие выполняется во всех случаях только для узлов, швы которых перерезают несущие элементы конструкции (например, оболочку сосуда давления или обшивку корпуса судна) и образуют в плоскости свариваемого листа замкнутый контур.  [c.297]

В связи с изложенным для большинства практически важных случаев реактивные напряжения могут быть схематизированы как напряжения, равномерно распределенные по толщине несущего элемента. Таким образом, при расчете ОСИ в каком-либо узле конструкции в первую очередь необходимо учитывать реактивные напряжения только от сос-едних узлов, швы которых перерезают несущий элемент и образуют замкнутый контур в плоскости свариваемого листа. Реактивные напряжения от всех перечисленных узлов при анализе неплоскостных конструкций (например, оболочечных) можно определить при решении трехмерных пространственных термодеформационных задач, что в настоящее время практически неосуществимо. При небольшой кривизне корпуса, а также если несущий элемент — плоскость (например, фрагмент оболочки судна), задачу можно схематизировать как плоскую (заделки) или осесимметричную (узлы подкрепления отверстия) и ее решение оказывается возможным на современных ЭВМ.  [c.298]

Здесь а%— радиальные реактивные напряжения, действующие на границе шва (о =Огг1г=дш), в дальнейшем будем называть их собственными реактивными напряжениями «п — коэффициент снижения реактивных напряжений.  [c.304]

Рис. 5.16. Изменение ширины зоны (/з растягивающих реактивных напряжений в зависимости от расстояйия до штуцера г(х)

Экспериментальное определение реактивных напряжений ультразвуковым методом проведено инж. ЦНИИ КМ Прометей В. В. Гузовским.  [c.311]

ДИЛИ при помощи механического съемного тензометра с инди каторной головкой (2.14]. Замеряли деформации на базе 100 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях у и х до и после сварки. По результатам деформаций, обусловленных сваркой штуцеров, на основе закона Гука определяли реактиВ ные напряжения а х и Оуу. Расчет реактивных напряжений про  [c.313]

---

Reactive Volt — обзор

28.11.1 Генератор с цилиндрическим ротором

На рисунке 28.17, 0ab — это треугольник синхронного реактивного сопротивления. Фиксированное фазное напряжение В представлено цифрой 0a в масштабе, скажем, В В / см. Точка b представляет номинальную нагрузку, где ab — номинальный ток статора в масштабе В, / X d А / см при коэффициенте мощности cos dab. ad и ag — активные и реактивные компоненты ab.

Рисунок 28.17. График работы генератора с цилиндрическим ротором

0b представляет E _f , фаза e.м.ф. сзади X _d . Соответствующее значение I _f можно считать по линии воздушного зазора характеристики холостого хода, показанной на рисунке 28.10; значение I _f не является серьезным неточным при ведущих коэффициентах мощности, когда магнитное насыщение низкое.

По шкале (3 Vv ) / X _d В-А / см, ab представляет номинальную полную мощность, активную мощность и реактивную мощность.

a0 представляет при v / X _d A / cm ток намагничивания V / X _d , выводимый из системы без нагрузки, если I _f уменьшается до нуля, а также соответствующие вары V ² / X _d в масштабе (3 Vv ) / X _d ВА / см.

Оси P и Q обычно маркируются в мегаваттах и ​​реактивных мегавольт-амперах, соответственно, или в о.е. условия, где, если В = 1 о.е., ab = номинальная полная мощность = 1 о.е., ad = активная мощность, cos ϕ о.е. ag = реактивные вольт-амперы, sin ϕ P-u. и a0 = номинальная МВА / X _d = (1/ X _d ) о.е.

Работа должна управляться таким образом, чтобы рабочая точка находилась в пределах, установленных (i) дугой с центром a и радиусом ab, представляющим номинальный ток статора, (ii) дугой bh центра 0, представляющей номинальный ток возбуждения, и (iii ) линия bdb ₁ , представляющая номинальную выходную активную мощность первичного двигателя.

Линия 0m, соответствующая углу нагрузки δ = 90 °, показывает теоретическую максимальную мощность (поскольку выходная мощность падает для δ = 90 °), а 0b ₁ — наименьший ток возбуждения, при котором может быть выдана номинальная мощность. , тогда соответствующий ток статора будет ab ₁ .

Нестабильность при всех нагрузках возникает, когда генератор (недовозбужденный) поглощает реактивную мощность 0a значения 1/ X _d о.е. Линия 0a шкалы тока — это составляющая тока статора с нулевым коэффициентом мощности; считается доставленным в систему питания, 0a ведет к напряжению на зажимах В .

Стабильная работа на практике невозможна до теоретической линии предела установившегося состояния 0 м. Обычно строят практическую линию устойчивости, такую ​​как 0fk, на которой из каждой точки, такой как k ₁ , работа для данного возбуждения 0s = 0k ₁ недопустима в области rk ₁ . Приращение нагрузки rs может быть фиксированной долей номинальной нагрузки или может постепенно меняться от холостого хода до полной нагрузки. Часто минимально допустимый ток возбуждения определяется, чтобы избежать проскальзывания полюсов при низкой нагрузке, когда происходит падение напряжения в системе (для синхронизирующего момента зависит от VI _f ).Минимальное возбуждение обычно составляет 20% от необходимого на холостом ходу, что дает предельную дугу ef.

При постоянной выходной активной мощности поток утечки статора в промежутках между концевыми обмотками увеличивается по мере того, как коэффициент мощности становится более опережающим. Это увеличивает потери, и температура в торцевых пакетах сердечников и зажимных пластинах повышается. Следовательно, может быть указана линия In ограничения конечного нагрева. Либо практическая стабильность, либо конечная температура активной зоны могут установить предел реактивной мощности, которая может быть поглощена.

Диаграмма работы может образовывать циферблат измерителя P — Q с указателем, перемещающимся параллельно каждой оси. Перекрестие указателей указывает точку нагрузки, и легко заметить разницу между выходом и несколькими ограничениями.

Влияние реактивного сопротивления X _e (например, трансформатора или линии электропередачи) между генератором и шиной постоянного напряжения допускается добавлением X _e к X _d и X _q .Тогда для машины с цилиндрическим ротором достигается предел устойчивости в установившемся режиме, где δ _B = 90 °: реактивная мощность Q _L составляет В _B ² / ( X _d + X _e ), а максимальная активная мощность P _L составляет V _B E _f / ( X _d + X _e ). При любых стабильных условиях нагрузки

и

(28.45) Q = VB (EfcosδB − VB) Xd + Xe

Векторная диаграмма на рисунке 28.18 ( b ) показывает, что наличие X _e требует, чтобы генератор работал в диапазоне напряжений на клеммах. Генераторы обычно рассчитаны на выдачу номинальных мегавольт-ампер при номинальном коэффициенте мощности в диапазоне напряжений ± 5% и частотном диапазоне ± 2% или около того. По мере отклонения В _T и f от номинальных значений (1 о.е.) температура ротора или статора повышается.Если В _T или f выходит за пределы расчетного диапазона, возможно, придется снизить нагрузку, чтобы избежать недопустимо высоких температур. См., Например, IEC 34–3 (раздел 28.21).

Рисунок 28.18. Влияние реактивного сопротивления системы

Обеспечение диапазона напряжений, скажем, 10%, а не 5%, значительно увеличивает размер и стоимость большой машины. В обслуживании о.у. реактивные сопротивления увеличиваются при уменьшении напряжения, и это снижает запас устойчивости. Следовательно, многие генераторные трансформаторы имеют устройства РПН, чтобы уменьшить диапазон необходимого напряжения генератора.

Что такое реактивная мощность и почему она имеет значение?

читать | Доля:

Реактивная мощность имеет решающее значение для поддержания уровней напряжения в системе передачи.

Но что именно?

Используя аналогию с муниципальной системой водоснабжения, представьте, что напряжение эквивалентно «давлению» водяной системы — без него вода просто сидит в трубах, а при слишком большом количестве трубы взрываются.Поэтому очень важно, чтобы давление воды было постоянным и постоянным.

Напряжение играет аналогичную роль в электрической системе в обеспечении стабильности потоков мощности. Однако последствия несоблюдения напряжения в электрической системе гораздо более ужасны, поскольку падение напряжения может серьезно повредить генерирующее, передающее и распределительное оборудование и привести к широко распространенным каскадным отключениям.

Реактивная мощность генерируется или поглощается электрическими генераторами (или, в некоторых случаях, устройствами, известными как «конденсаторы») для поддержания постоянного уровня напряжения, обычно называемого «поддержкой напряжения».«Генераторы, обеспечивающие поддержание напряжения, часто страдают от тепловых потерь, что приводит к снижению способности вырабатывать« реальную »мощность. Мы все больше знакомы с реальной мощностью: она зажигает лампочки, вращает моторы и заряжает айфоны. Важно то, что реальная мощность — это то, что компенсируется на оптовых рынках электроэнергии RTO. Таким образом, когда системные операторы приказывают генераторам генерировать или поглощать реактивную мощность для поддержания напряжения, они жертвуют своей способностью генерировать реальную мощность и получать рыночные доходы RTO. Рассчитанная маржа на эти упущенные рыночные доходы выплачивается производителям, обеспечивающим поддержку напряжением, посредством внебиржевых платежей.

Основная проблема использования реактивной мощности для управления напряжением заключается в том, что реактивная мощность не распространяется до реальной мощности в электрической системе. Во многих случаях самые дешевые источники реальной мощности расположены удаленно от центров нагрузки, и системные операторы должны контролировать уровни напряжения в центрах нагрузки, чтобы гарантировать поддержание постоянного уровня напряжения. Если уровни напряжения становятся слишком высокими или слишком низкими, генераторы в центре нагрузки работают для стабилизации уровней напряжения, генерируя или потребляя реактивную мощность.

Проблема реактивной мощности вышла на первый план на территории PJM Interconnection. По мере того, как зона обслуживания PJM расширялась, а использование более дешевой удаленной генерации для обслуживания центров нагрузки стало более распространенным явлением, PJM расширила свои возможности мониторинга напряжения за счет внедрения интерфейсов передачи. Такие интерфейсы измеряют потоки мощности по выбранным высоковольтным линиям электропередачи в удаленные центры нагрузки, чтобы указать, когда необходима дополнительная локальная генерация (в центре нагрузки) для поддержания уровней напряжения.

Еще несколько лет назад способность генерировать реактивную мощность в PJM в основном воспринималась как должное. Поддержка напряжения обычно обеспечивалась унаследованными станциями, генерирующими базовую нагрузку, которые уже давно оплатили капитальные затраты на оборудование, необходимое для предоставления этой услуги, либо с помощью исторической регулируемой базы тарифов, либо с помощью тарифных положений PJM, которые позволяют возмещать такие затраты.

Две тенденции изменили статус-кво. Во-первых, поскольку цены на природный газ снизились, генерирующие мощности базовой нагрузки, которые исторически обеспечивали поддержание напряжения (т.е. угольные электростанции) уже не работают так стабильно или экономично. В некоторых случаях они запускались и работали без потерь, чтобы обеспечить реактивную мощность. Во-вторых, из-за экономических факторов и приближающихся экологических норм, многие из тех же генерирующих объектов базовой нагрузки теперь потребовали вывода из эксплуатации. Эти тенденции привели к существенным выплатам вне рынка этих генераторов базовой нагрузки, поскольку они были отправлены исключительно для обеспечения поддержки напряжением. В некоторых случаях контракты по обеспечению надежности использовались для поддержания работоспособности генерирующих мощностей в целях обеспечения реактивной мощности, включая некоторые угольные блоки в Пенсильвании.

Итак, что все это означает для наших клиентов в будущем?

Поскольку нерыночные платежи за поддержку напряжения и запросы на вывод из эксплуатации накапливались, PJM предприняла модернизацию системы передачи для смягчения основных проблем с напряжением, расходы на которые несут налогоплательщики. Ожидается, что разработка таких обновлений будет продолжена.

PJM сейчас начинает обсуждения по моделированию потребности в реактивной мощности на своих рынках на сутки вперед и в реальном времени, что означает, что рыночные цены могут начать отражать реактивную мощность.Кроме того, с увеличением количества распределенных ресурсов все большее внимание уделяется обеспечению наличия адекватной реактивной способности, особенно учитывая, что высокая степень проникновения солнечной энергии требует большей реактивной мощности. Это может привести к необходимости возмещения капитальных затрат через рынки или тарифные планы PJM. Поскольку FERC фокусируется на ценообразовании — что в некотором смысле является кодом для поиска дополнительных доходов для производителей в эпоху низких цен на природный газ — существует вероятность того, что реактивная мощность станет более явным продуктом, требующим дополнительной компенсации.

Следите за обновлениями в бизнес-блоге Direct Energy, чтобы узнать о дальнейших политических и нормативных изменениях. Прочтите о том, как законопроект № 380 Сената Калифорнии может потенциально повлиять на цены на природный газ в Южной Калифорнии.

Размещено: 23 мая 2016 г.

Что такое реактивная мощность? — Определение из Техопедии

Что означает реактивная мощность?

В системах электросетей реактивная мощность — это мощность, которая течет обратно от пункта назначения к сети в сценарии переменного тока.

В системе постоянного тока напряжение и нагрузка статичны, и, проще говоря, направление энергии «одностороннее», но в переменном токе есть разные фазы, связанные с элементами системы, такими как конденсаторы. и индукторы.

Реактивная мощность возвращает энергию обратно в сеть во время пассивных фаз.

Реактивная мощность также известна как фантомное питание.

Techopedia объясняет реактивную мощность

Другой способ объяснить это состоит в том, что реактивная мощность — это результирующая мощность в ваттах цепи переменного тока, когда форма волны тока не совпадает по фазе с формой волны напряжения, обычно на 90 градусов, если нагрузка является чисто реактивной, и является результатом емкостных или индуктивных нагрузок.

Фактическая работа выполняется только тогда, когда ток находится в фазе с напряжением, например, в резистивных нагрузках. Пример — включение лампы накаливания; в реактивной нагрузке энергия течет к нагрузке половину времени, тогда как в другой половине мощность течет от нее, что создает иллюзию, что нагрузка не рассеивает и не потребляет мощность.

Три вида мощности

Реактивная мощность — это один из трех типов мощности, присутствующих в нагруженных цепях.

Истинная мощность

Фактическая мощность в ваттах, рассеиваемая схемой

Реактивная мощность

Рассеиваемая мощность от индуктивных и емкостных нагрузок, измеренная в вольт-амперах реактивной (VAR)

Полная мощность

Комбинация измерения реактивной и истинной мощности в вольт-амперах (ВА)

Реактивная мощность также называется «фантомной мощностью», потому что неясно, куда она идет.Общеизвестно, что реактивные нагрузки, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, на самом деле не рассеивают мощность в том смысле, что она не используется для их питания, но измерение напряжения и тока вокруг них указывает на то, что они падают напряжение и потребляют ток.

Мощность, рассеиваемая при этом падении напряжения и потребляемом токе, находится в форме тепла или ненужной энергии и не выполняется как фактическая работа; поэтому инженеры искали способы уменьшить это. Из-за этого фантомного питания проводники и генераторы должны иметь соответствующие номиналы и размеры, чтобы выдерживать общий ток, включая отходы, а не только ток, который выполняет фактическую работу.

Маятник часов

Некоторые эксперты в области энергетики говорят о реактивной мощности как части движения конденсатора, которое напоминает движение маятника часов от зенита до надира. По этой аналогии, когда маятник качается вверх, переменный ток подает активную мощность на устройство назначения. По мере того, как маятник движется вниз, реактивная мощность возвращается в сеть для поглощения.

В таких определениях эксперты сказали бы, что реактивная энергия — это энергия, циркулирующая взад и вперед между источником и нагрузкой, в частности, эта реактивная мощность «исчезает» обратно к источнику.В некотором смысле это связано с задержкой между током и напряжением. Помимо конденсаторов, статические компенсаторы VAr и синхронные конденсаторы могут использоваться для управления реактивной мощностью в системе.

Ключевым моментом является размещение оборудования реактивного тока рядом с силовыми нагрузками. Это уменьшает количество реактивного тока, который система доставки должна переносить на определенное расстояние.

Реактивная мощность в сети

Чтобы справиться с реалиями переменного тока и изменения путей передачи энергии, проектировщики принимают меры по контролю напряжения.Эксперты в области энергетики отмечают, что даже 5% -ное изменение напряжения в данной системе может вызвать отключение электроэнергии и другие проблемы.

С этой целью многие элементы электрической системы, такие как трансформаторы, могут переключаться с подачи на поглощение реактивной мощности по фазам. Но те, кто близок к отрасли, подчеркивают, что это станет еще более важным, когда мы переведем части американской электросети на возобновляемые источники энергии.

Реактивная мощность и возобновляемые источники энергии

Реактивная мощность также очень важна в контексте меняющихся энергосистем.

По многим важным причинам возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, заменяют традиционные источники энергии, такие как уголь и природный газ. Но это может иметь разветвления для электросети в целом.

«Всплеск возобновляемых источников энергии в сети без достаточной вращающейся массы может вызвать серьезные проблемы: отключение электроэнергии в определенных областях, чтобы привести спрос в соответствие с предложением; и отключение крупных электростанций от сети, чтобы предотвратить их перегрузку », — пишет Арчи Робб из Renewable Energy World, описывая принцип« инерции сети »и то, как это применимо к управлению реактивной мощностью в системе, которая переходит на возобновляемые источники энергии. строить.

Поскольку возобновляемые источники энергии поставляют энергию в сеть по-разному, возникнет потребность в микроуправлении активной мощностью и реактивной мощностью соответственно.

Как реактивная мощность помогает поддерживать работоспособность системы

Реактивная мощность

Мы всегда на практике снижаем реактивную мощность для повышения эффективности системы. Это приемлемо на некотором уровне, если система является чисто резистивной или емкостной, это вызывает некоторые проблемы в электрической системе. Системы переменного тока питают или потребляют два вида мощности: активную и реактивную.

Как реактивная мощность помогает поддерживать работоспособность системы (на фото: Панель коррекции коэффициента мощности среднего напряжения; кредит: tepco-group.com)

Реальная мощность выполняет полезную работу, а реактивная мощность поддерживает напряжение, которое необходимо контролировать для надежности системы. Реактивная мощность оказывает сильное влияние на безопасность энергосистем, поскольку влияет на напряжения во всей системе.

Найдите важное обсуждение, касающееся важности реактивной мощности и того, как полезно поддерживать напряжение в системе в нормальном состоянии.

ОСВЕЩЕННЫЕ ТЕМЫ:

Потребность в реактивной мощности

• Регулирование напряжения в системе электроснабжения важно для правильной работы силового оборудования, чтобы предотвратить такие повреждения, как перегрев генераторов и двигателей, снизить потери при передаче и сохранить работоспособность. системы, чтобы выдерживать и предотвращать падение напряжения. В общем, уменьшение реактивной мощности вызывает падение напряжения, а увеличение вызывает повышение напряжения. Падение напряжения происходит, когда система пытается обслуживать гораздо большую нагрузку, чем может выдержать напряжение.
  .
• Когда подает реактивную мощность, понижает напряжение, по мере падения напряжения ток должен увеличиваться для поддержания подаваемой мощности, в результате чего система потребляет больше реактивной мощности, и напряжение падает дальше. Если ток увеличивается слишком сильно, линии передачи отключаются, вызывая перегрузку других линий и потенциально вызывая каскадные отказы.
  .
• Если напряжение упадет слишком низко, некоторые генераторы отключатся автоматически, чтобы защитить себя. Коллапс напряжения происходит, когда увеличение нагрузки или уменьшение мощности генерирующих или передающих мощностей вызывает падение напряжения, что вызывает дальнейшее снижение реактивной мощности от заряда конденсаторов и линии, и, тем не менее, дальнейшее снижение напряжения.Если снижение напряжения продолжается, это вызовет срабатывание дополнительных элементов, что приведет к дальнейшему снижению напряжения и потере нагрузки. Результатом всего этого постепенного и неконтролируемого падения напряжения является то, что система не может обеспечить реактивную мощность, необходимую для удовлетворения требований реактивной мощности.

Важность присутствующей реактивной мощности

• Управление напряжением и управление реактивной мощностью — это два аспекта одного действия, которое поддерживает надежность и облегчает коммерческие транзакции в сетях передачи.
  .
• В системе переменного тока (AC) напряжение регулируется путем управления производством и потреблением реактивной мощности. Есть три причины, по которым необходимо управлять реактивной мощностью и управляющим напряжением.
  .
• Во-первых, оборудование потребителя и энергосистемы спроектировано для работы в диапазоне напряжений, обычно в пределах ± 5% от номинального напряжения. При низких напряжениях многие типы оборудования плохо работают; лампочки обеспечивают меньшее освещение, асинхронные двигатели могут перегреться и выйти из строя, а некоторое электронное оборудование не будет работать при.Высокое напряжение может повредить оборудование и сократить срок его службы.
  .
• Во-вторых, реактивная мощность потребляет ресурсы передачи и генерации. Чтобы максимизировать количество реальной мощности, которая может быть передана через перегруженный интерфейс передачи, потоки реактивной мощности должны быть минимизированы. Точно так же выработка реактивной мощности может ограничивать реальную мощность генератора.
  .
• В-третьих, перемещение реактивной мощности в системе передачи приводит к потерям реальной мощности. Чтобы восполнить эти потери, необходимо обеспечить как мощность, так и энергию.
  .
• Контроль напряжения усложняется двумя дополнительными факторами.
  .
• Во-первых, сама система передачи является нелинейным потребителем реактивной мощности, зависящей от загрузки системы. При очень небольшой нагрузке система генерирует реактивную мощность, которую необходимо поглотить, тогда как при большой нагрузке система потребляет большое количество реактивной мощности, которую необходимо заменить. Требования к реактивной мощности системы также зависят от конфигурации генерации и передачи.
  .
• Следовательно, требования к реактивности системы меняются во времени по мере изменения уровней нагрузки и моделей нагрузки и генерации. Система объемного питания состоит из множества единиц оборудования, любое из которых может выйти из строя в любой момент. Таким образом, система спроектирована таким образом, чтобы выдерживать потерю любого отдельного оборудования и продолжать работу, не затрагивая клиентов. То есть система рассчитана на то, чтобы противостоять единственному непредвиденному обстоятельству. Взятые вместе, эти два фактора приводят к динамической потребности в реактивной мощности.Потеря генератора или основной линии электропередачи может иметь комплексный эффект, заключающийся в уменьшении реактивного питания и, в то же время, перенастройке потоков, так что система потребляет дополнительную реактивную мощность.
  .
• По крайней мере, часть реактивного источника питания должна быть способна быстро реагировать на изменение требований реактивной мощности и поддерживать приемлемые напряжения во всей системе. Таким образом, как электрическая система требует резервов реальной мощности для реагирования на непредвиденные обстоятельства, так и она должна поддерживать резервы реактивной мощности.
  .
• Нагрузки также могут быть как действительными, так и реактивными. Реактивная часть нагрузки может обслуживаться от системы передачи. Реактивные нагрузки вызывают большее падение напряжения и реактивные потери в системе передачи, чем реальные нагрузки аналогичного размера (MVA).
  .
• Вертикально интегрированные коммунальные предприятия часто включают в свои тарифы плату за предоставление реактивной мощности нагрузкам. При реструктуризации наблюдается тенденция к ограничению нагрузок работой при почти нулевом потреблении реактивной мощности (1.0 коэффициент мощности). Предложение системного оператора ограничивает нагрузки коэффициентами мощности от 0,97 (потребляемая реактивная мощность) до 0,99 с опережением. Это поможет поддерживать надежность системы и избежать проблем рыночной власти, когда компания может использовать свои линии электропередачи для ограничения конкуренции за производство электроэнергии и повышения цен.

Назначение реактивной мощности

• Синхронные генераторы, SVC и различные типы другого оборудования DER (Распределенный энергоресурс) используются для поддержания напряжения во всей системе передачи.Подача реактивной мощности в систему повышает напряжение, а поглощение реактивной мощности снижает напряжение.
  .
• Требования к поддержанию напряжения зависят от расположения и величины выходных сигналов генератора и нагрузок потребителей, а также от конфигурации системы передачи DER.
  .
• Эти требования могут существенно отличаться от места к месту и могут быстро меняться по мере изменения места и величины генерации и нагрузки. При очень низких уровнях нагрузки системы линии передачи действуют как конденсаторы и повышают напряжение.Однако при высоких уровнях нагрузки линии передачи поглощают реактивную мощность и тем самым снижают напряжение. Большая часть оборудования системы передачи (например, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы с переключением ответвлений) статична, но может переключаться в ответ на изменения требований к поддержке напряжения
  .
• При управлении реактивной мощностью и напряжением работа системы преследует три цели.
  .
• Во-первых, он должен поддерживать адекватное напряжение во всей системе передачи и распределения как для текущих, так и для непредвиденных условий.
  .
• Во-вторых, он стремится минимизировать перегрузку потоков реальной мощности.
  .
• В-третьих, он стремится минимизировать потери реальной мощности.
  .
• Однако механизмы, которые системные операторы используют для приобретения и развертывания ресурсов реактивной мощности, меняются. Эти механизмы должны быть справедливыми по отношению ко всем сторонам, а также эффективными. Кроме того, они должны быть явно справедливыми.

Что такое реактивная мощность?

• В то время как активная мощность — это энергия, подаваемая для запуска двигателя, обогрева дома или освещения электрической лампочки, реактивная мощность обеспечивает важную функцию регулирования напряжения.
• Если напряжение в системе недостаточно высокое, активная мощность не может быть подана.
• Реактивная мощность используется для обеспечения уровней напряжения, необходимых для того, чтобы активная мощность выполняла полезную работу.
• Реактивная мощность необходима для передачи активной мощности по системе передачи и распределения к потребителю.

Зачем нам реактивная мощность?

• Реактивная мощность (ВАР) требуется для поддержания напряжения для передачи активной мощности (ватт) по линиям передачи.
• Двигательные нагрузки и другие нагрузки требуют реактивной мощности для преобразования потока электронов в полезную работу.
• Когда реактивной мощности недостаточно, напряжение падает, и невозможно передать мощность, требуемую нагрузкой, по линиям.

Реактивная мощность является побочным продуктом систем переменного тока (AC)

• Трансформаторам, линиям передачи и двигателям требуется реактивная мощность
• Трансформаторы и линии передачи вносят индуктивность, а также сопротивление:
  1. Оба противостоят протеканию тока
  2. Необходимо поднять напряжение выше, чтобы протолкнуть мощность через индуктивность линий
  3. Если не вводится емкость для компенсации индуктивности
• Чем дальше передается мощность, тем выше напряжение необходимо поднять
• Электродвигатели должны быть реактивными мощность для создания магнитных полей для их работы

Как контролируются напряжения?

• Напряжения контролируются путем обеспечения достаточного запаса регулирования реактивной мощности для «модуляции» и потребностей в питании посредством:
  1. Компенсация шунтирующего конденсатора и реактора
  2. Динамическая компенсация
  3. Правильный график напряжения генерации.
• Напряжениями управляют путем прогнозирования и корректировки потребности в реактивной мощности от нагрузок

Напряжение должно поддерживаться в пределах допустимых уровней

• В нормальных условиях системы, при пиковых или непиковых нагрузках, напряжения должны поддерживаться в пределах 95 % и 105% от номинала.
• Низкое напряжение может привести к сбоям в работе оборудования:
  1. Двигатель остановится, перегреется или повредит
  2. Реактивная мощность на выходе конденсаторов будет экспоненциально снижена
  3. Генераторы могут отключиться.
• Условия высокого напряжения могут:
  1. Повредить основное оборудование — нарушение изоляции
  2. Автоматическое отключение основного передающего оборудования

Напряжение и реактивная мощность

• Напряжение и реактивная мощность должны регулироваться и контролироваться должным образом:
  1. Обеспечьте надлежащее качество обслуживания
  2. Поддерживайте надлежащую стабильность энергосистемы.

Реактивная мощность и коэффициент мощности

• Реактивная мощность присутствует, когда напряжение и ток не совпадают по фазе:
  1. Один сигнал опережает другой
  2. Фазовый угол не равен 0o
  3. Коэффициент мощности меньше единицы
• Измеряется в реактивных вольт-амперах (ВАр)
• Производится, когда форма волны тока опережает форму волны напряжения (опережающий коэффициент мощности)
• И наоборот, потребляется, когда форма волны тока отстает от напряжения (запаздывающий коэффициент мощности)

Ограничения реактивной мощности

• Реактивная мощность не распространяется очень далеко.
• Обычно необходимо производить его близко к месту, где это необходимо
• Поставщик / источник, расположенный близко к месту потребности, находится в гораздо лучшем положении для обеспечения реактивной мощности по сравнению с источником, расположенным далеко от места потребности
• Источники реактивной мощности тесно связаны со способностью выдавать реальную или активную мощность.

Реактивная мощность привела к отсутствию электроснабжения в стране-А отключение электроэнергии

Треугольник мощности

• Качество электроснабжения можно оценить по ряду параметров.Однако самым важным всегда будет наличие электрической энергии, а также количество и продолжительность прерываний.
  .
• Если в розетке нет напряжения, то никому нет дела до гармоник, провалов или скачков напряжения.
  .
• Длительное прерывание с большим размахом — отключение электроэнергии обычно приводит к катастрофическим потерям. Сложно представить, что во всей стране нет электроснабжения.
  .
• На самом деле такое уже происходило неоднократно.Одна из причин, приводящих к отключению электроэнергии, — выходящая из-под контроля реактивная мощность.
  .
• Когда потребление электроэнергии велико, потребность в индуктивной реактивной мощности обычно увеличивается в той же пропорции. В этот момент линии передачи (которые хорошо загружены) вносят дополнительную индуктивную реактивную мощность.
  .
• Местные источники емкостной реактивной мощности становятся недостаточными. Необходимо доставлять больше реактивной мощности от генераторов на электростанциях.
  .
• Может случиться так, что они уже полностью загружены, и реактивную мощность придется доставлять из более отдаленных мест или из-за границы. Передача реактивной мощности приведет к большей нагрузке на линии, что, в свою очередь, приведет к увеличению реактивной мощности. Напряжение на стороне потребителя будет снижаться дальше. Местное управление напряжением с помощью автотрансформаторов приведет к увеличению тока (для получения той же мощности), что, в свою очередь, увеличит падение напряжения в линиях. В один момент этот процесс может пойти лавинообразно, сведя напряжение к нулю.Между тем, большинство генераторов на электростанциях отключатся из-за недопустимо низкого напряжения, что, конечно, ухудшит ситуацию.
  .
• В континентальной Европе большинство электростанций построено на тепловых и паровых турбинах. Если энергоблок такой электростанции останавливается и остывает, ему требуется время и электроэнергия, чтобы снова начать работу. Если другие электростанции также отключены — отключение электроэнергии будет постоянным.
  .
• Недостаточная реактивная мощность, приводящая к падению напряжения, была причинным фактором крупных отключений электроэнергии во всем мире.Обвал напряжения произошел в Соединенных Штатах во время отключения электроэнергии 2 июля 1996 г. и 10 августа 1996 г. на Западном побережье.
  .
• Хотя отключение электроэнергии 14 августа 2003 г. в США и Канаде не было связано с падением напряжения, как этот термин традиционно используется инженерами энергосистем, в итоговом отчете целевой группы говорилось, что «Недостаточная реактивная мощность была проблемой в системе. отключение электроэнергии » и отчет также« переоценка динамики реактивного выхода системы генерации »как общий фактор среди крупных отключений в США.
  .
• Спрос на реактивную мощность был необычно высоким из-за большого объема потоковых передач на большие расстояния, проходящих через Огайо в районы, включая Канаду, чем требовалось для импорта энергии для удовлетворения местного спроса. Но подача реактивной мощности была низкой, потому что некоторые станции не работали и, возможно, потому, что другие станции не производили ее в достаточном количестве.

Проблемы реактивной мощности

• Хотя реактивная мощность необходима для работы многих электрических устройств, она может оказывать вредное воздействие на ваши приборы и другие моторизованные нагрузки, а также на вашу электрическую инфраструктуру.Поскольку ток, протекающий через вашу электрическую систему, превышает ток, необходимый для выполнения требуемой работы, избыточная мощность рассеивается в виде тепла, поскольку реактивный ток течет через резистивные компоненты, такие как провода, переключатели и трансформаторы. Помните, что всякий раз, когда расходуется энергия, вы платите. Не имеет значения, в виде тепла или полезной работы расходуется энергия.
  .
• Мы можем определить, сколько реактивной мощности потребляют ваши электрические устройства, измерив их коэффициент мощности, соотношение между реальной мощностью и реальной мощностью.Коэффициент мощности 1 (т.е. 100%) в идеале означает, что вся электрическая мощность используется для реальной работы. Дома обычно имеют общий коэффициент мощности в диапазоне от 70% до 85%, в зависимости от того, какие приборы могут работать. Более новые дома с новейшими энергоэффективными приборами могут иметь общий коэффициент мощности 90-х годов.
  .
• Типичный счетчик электроэнергии для жилых помещений считывает только реальную мощность, то есть то, что вы получили бы при коэффициенте мощности 100%. В то время как большинство электроэнергетических компаний не взимают плату за реактивную мощность с жилых домов напрямую, распространенным заблуждением является утверждение, что коррекция реактивной мощности не имеет экономической выгоды.Для начала электрические компании корректируют коэффициент мощности вокруг промышленных комплексов, или они потребуют от нарушившего правила потребителя сделать это за его счет, или они будут взимать дополнительную плату за реактивную мощность. Очевидно, что электрические компании выигрывают от коррекции коэффициента мощности, поскольку линии электропередачи, по которым проходит дополнительный (реактивный) ток в промышленно развитые районы, стоят им денег. Многие люди упускают из виду преимущества, которые коррекция коэффициента мощности может предложить для типичного дома, по сравнению с экономией и другими преимуществами, которые могут ожидать предприятия с большими индуктивными нагрузками.
  .
• Самое главное, что вы платите за реактивную мощность в виде потерь энергии, создаваемых реактивным током, протекающим в вашем доме. Эти потери имеют вид тепла и не могут быть возвращены в сеть. Следовательно, вы платите. Чем меньше киловатт расходуется в доме за счет рассеивания тепла или нет, тем ниже счет за электричество. Поскольку коррекция коэффициента мощности снижает потери энергии, вы экономите.
  .
• Как указывалось ранее, электрические компании корректируют коэффициент мощности вокруг промышленных комплексов, либо они потребуют этого от нарушителя, либо они будут взимать плату за реактивную мощность.Их не беспокоит обслуживание жилых домов, потому что влияние на их распределительную сеть не такое серьезное, как в промышленно развитых регионах. Однако верно то, что коррекция коэффициента мощности помогает электроэнергетической компании за счет снижения спроса на электроэнергию, тем самым позволяя им удовлетворять потребности в услугах в других местах. Но кого это волнует? Коррекция коэффициента мощности снижает ваши счета за электроэнергию за счет уменьшения количества израсходованных киловатт, и без нее ваш счет за электроэнергию будет гарантированно выше.
  .
• Мы сталкивались с этим с другими электрическими компаниями, и нам удалось добиться от каждой из них опровержения.Электроэнергетические компании сильно различаются, и многие не проявляют интереса к отклонению от своей стандартной маркетинговой стратегии, признавая зарекомендовавшие себя энергосберегающие продукты. Имейте в виду, что продвижение РЕАЛЬНОЙ экономии энергии для всех своих клиентов опустошит их прибыль.
  .
• Коррекция коэффициента мощности не приведет к увеличению счета за электроэнергию и не нанесет вреда вашим электрическим устройствам. Эта технология уже много лет успешно применяется в промышленности. При правильном размере коррекция коэффициента мощности повысит электрический КПД и долговечность индуктивных нагрузок.Коррекция коэффициента мощности может иметь неблагоприятные побочные эффекты (например, гармоники) на чувствительном промышленном оборудовании, если с ней не будут работать знающие и опытные специалисты. Коррекция коэффициента мощности в жилых домах ограничена мощностью электрической панели (макс. 200 А) и не обеспечивает чрезмерной компенсации индуктивных нагрузок в домах. Повышение эффективности электрических систем снижает потребность в энергии и ее воздействие на окружающую среду.

Глубокое влияние реактивной мощности в различных элементах энергосистемы:

Генерация

• Основная функция генератора электроэнергии — преобразовывать топливо (или другой энергетический ресурс) в электроэнергию.Почти все генераторы * также имеют значительный контроль над напряжением на клеммах и выходной реактивной мощностью.
  .
• Плата за использование этого ресурса является специфическим направлением управления напряжением от службы генерации. Способность генератора обеспечивать реактивную поддержку зависит от его реальной выработки электроэнергии. Как и у большинства электрического оборудования, генераторы ограничены своей пропускной способностью по току. При напряжении, близком к номинальному, эта способность становится пределом в МВА для якоря генератора, а не ограничением в МВт.
  .
• Производство реактивной мощности связано с увеличением магнитного поля для повышения напряжения на клеммах генератора. Увеличение магнитного поля требует увеличения тока во вращающейся обмотке возбуждения. Поглощение реактивной мощности ограничивается структурой магнитного потока в статоре, что приводит к чрезмерному нагреву железа на конце статора, что является пределом нагрева сердечника.
  .
• Синхронизирующий крутящий момент также уменьшается при поглощении большого количества реактивной мощности, что также может ограничивать возможности генератора, чтобы снизить вероятность потери синхронизма с системой.
  .
• Первичный двигатель генератора (например, паровая турбина) обычно проектируется с меньшей мощностью, чем электрический генератор, что приводит к ограничению первичного двигателя. Разработчики понимают, что большую часть времени генератор будет вырабатывать реактивную мощность и поддерживать напряжение в системе. Наличие первичного двигателя, способного выдавать всю механическую мощность, которую генератор может преобразовывать в электричество, когда он не производит и не поглощает реактивную мощность, приведет к недоиспользованию первичного двигателя.
  .
• Для создания или поглощения дополнительных VAR сверх этих пределов потребуется снижение реальной выходной мощности устройства. Управление реактивным выходом и напряжением на клеммах генератора обеспечивается регулировкой постоянного тока во вращающемся поле генератора. Управление может быть автоматическим, непрерывным и быстрым.
  .
• Характеристики генератора помогают поддерживать напряжение в системе. При любой данной настройке поля генератор имеет определенное напряжение на клеммах, которое он пытается удерживать.Если напряжение в системе падает, генератор подает в энергосистему реактивную мощность, стремясь повысить напряжение в системе. Если напряжение в системе возрастает, реактивная мощность генератора упадет, и в конечном итоге реактивная мощность будет поступать в генератор, стремясь к снижению напряжения системы. Регулятор напряжения усиливает это поведение, направляя ток возбуждения в нужном направлении для получения желаемого напряжения системы.

Синхронные конденсаторы

• Каждая синхронная машина (двигатель или генератор) с управляемым полем имеет характеристики реактивной мощности, описанные выше.
  .
• Синхронные двигатели иногда используются для обеспечения динамической поддержки напряжения в энергосистеме, поскольку они обеспечивают механическую мощность для своей нагрузки. Некоторые турбины внутреннего сгорания и гидроагрегаты спроектированы таким образом, чтобы генератор мог работать без механического источника энергии просто для обеспечения реактивной мощности энергосистемы, когда выработка реальной энергии недоступна или не требуется.
  .
• Синхронные машины, которые предназначены исключительно для обеспечения реактивной поддержки, называются синхронными конденсаторами.
  .
• Синхронные конденсаторы обладают всеми преимуществами генераторов по быстродействию и управляемости без необходимости строительства остальной части электростанции (например, оборудования для перекачки топлива и котлов). Поскольку это вращающиеся машины с движущимися частями и вспомогательными системами, они могут потребовать значительно большего обслуживания, чем статические альтернативы. Они также потребляют активную мощность, равную примерно 3% от номинальной реактивной мощности машины.

Конденсаторы и катушки индуктивности

• Конденсаторы и катушки индуктивности (иногда называемые реакторами) — это пассивные устройства, которые генерируют или поглощают реактивную мощность.Они достигают этого без значительных потерь реальной мощности или эксплуатационных расходов. Выход конденсаторов и катушек индуктивности пропорционален квадрату напряжения. Таким образом, конденсаторная батарея (или катушка индуктивности) на 100 МВАр будет производить (или поглощать) только 90 МВАр, когда напряжение падает до 0,95 о.е., но она будет производить (или поглощать) 110 МВАр, когда напряжение повышается до 1,05 о.е. Это соотношение полезно, когда для удержания напряжения используются катушки индуктивности.
  .
• Катушка индуктивности поглощает больше при самых высоких напряжениях и при наибольшей потребности в устройстве.Эта взаимосвязь неудачна для более распространенного случая, когда конденсаторы используются для поддержания напряжения. В крайнем случае напряжение падает, и конденсаторы вносят меньший вклад, что приводит к дальнейшему снижению напряжения и еще меньшей поддержке со стороны конденсаторов; в конечном итоге происходит падение напряжения и отключение питания.
  .
• Катушки индуктивности — это дискретные устройства, предназначенные для поглощения определенного количества реактивной мощности при определенном напряжении. Они могут быть включены или выключены, но не имеют переменного управления.
  .
• Конденсаторные батареи состоят из отдельных емкостей конденсаторов, обычно на 200 кВАр или меньше каждая. Банки подключаются последовательно и параллельно, чтобы получить желаемое напряжение конденсаторной батареи и номинальную емкость. Как и катушки индуктивности, конденсаторные батареи представляют собой дискретные устройства, но они часто имеют несколько ступеней для обеспечения ограниченного количества регулируемых параметров, что делает их недостатком по сравнению с синхронным двигателем.

Статические компенсаторы VAR (SVC)

• SVC объединяет в себе обычные конденсаторы и катушки индуктивности с возможностью быстрого переключения.Переключение происходит во временном интервале субцикла (т.е. менее чем за 1/60 секунды), обеспечивая непрерывный диапазон управления. Диапазон может быть изменен от поглощения до выработки реактивной мощности. Следовательно, элементы управления могут быть спроектированы так, чтобы обеспечивать очень быструю и эффективную реактивную поддержку и управление напряжением. Поскольку в SVC используются конденсаторы, их реактивная способность снижается так же, как и падение напряжения. Они также не способны выдерживать кратковременную перегрузку генераторов и синхронных конденсаторов.Для приложений SVC обычно требуются фильтры гармоник, чтобы уменьшить количество гармоник, вводимых в энергосистему.

Статические синхронные компенсаторы (STATCOM)

• STATCOM — это твердотельное шунтирующее устройство, которое генерирует или поглощает реактивную мощность и является одним из членов семейства устройств, известных как гибкая система передачи переменного тока (FACTS).
• STATCOM похож на SVC по скорости отклика, возможностям управления и использованию силовой электроники. Однако вместо использования обычных конденсаторов и катушек индуктивности в сочетании с быстродействующими переключателями, STATCOM использует силовую электронику для синтеза выходной реактивной мощности.Следовательно, производительность обычно симметрична, обеспечивая столько же возможностей для производства, сколько и для поглощения.
• Твердотельный характер STATCOM означает, что, как и в SVC, элементы управления могут быть спроектированы для обеспечения очень быстрого и эффективного управления напряжением. Несмотря на отсутствие способности генераторов и синхронных конденсаторов к кратковременной перегрузке, емкость STATCOM не страдает так серьезно, как SVC и конденсаторы, от пониженного напряжения.
STATCOM
• ограничены по току, поэтому их способность MVAR линейно реагирует на напряжение, в отличие от отношения квадрата напряжения SVC и конденсаторов.Этот атрибут значительно увеличивает полезность СТАТКОМов для предотвращения падения напряжения.

Распределенная генерация

• Распределение ресурсов генерации по энергосистеме может иметь положительный эффект, если генерация имеет возможность поставлять реактивную мощность. Без этой возможности управления выходной реактивной мощностью производительность системы передачи и распределения может ухудшиться. Индукционные генераторы были привлекательным выбором для небольшой, подключенной к сети генерации, прежде всего потому, что они относительно недороги.Они не требуют синхронизации и обладают механическими характеристиками, которые подходят для некоторых приложений (например, ветра). Они также поглощают реактивную мощность, а не генерируют ее, и не поддаются контролю. Если мощность генератора колеблется (как ветер), реактивная нагрузка генератора также колеблется, что усугубляет проблемы управления напряжением для системы передачи. Индукционные генераторы можно компенсировать статическими конденсаторами, но эта стратегия не решает проблему флуктуаций и не обеспечивает контролируемое поддержание напряжения.Многие ресурсы распределенной генерации теперь подключаются к сети через твердотельную силовую электронику, что позволяет изменять скорость первичного двигателя независимо от частоты энергосистемы. Что касается ветра, то использование твердотельной электроники может улучшить захват энергии.
  .
• Для микротурбин, работающих на газе, оборудование силовой электроники позволяет им работать на очень высоких скоростях. Фотоэлектрические установки генерируют постоянный ток и требуют инверторов для подключения к энергосистеме. Устройства накопления энергии (например,(например, батареи, маховики и сверхпроводящие магнитные накопители энергии) также часто бывают распределенными и требуют, чтобы твердотельные инверторы взаимодействовали с сетью. Это более широкое использование твердотельного интерфейса между устройствами и энергосистемой дает дополнительное преимущество, обеспечивая полный контроль реактивной мощности, аналогичный таковому у STATCOM.
  .
• Фактически, большинству устройств не обязательно обеспечивать активную мощность, чтобы был доступен полный диапазон реактивного управления. Первичный двигатель поколения, e.грамм. турбина, может выйти из строя, пока реактивный компонент полностью исправен. Эта технологическая разработка (твердотельная силовая электроника) превратила потенциальную проблему в преимущество, позволив распределенным ресурсам внести свой вклад в управление напряжением.

Передающая сторона

• Неизбежным следствием работы нагрузки является наличие реактивной мощности, связанной с фазовым сдвигом между напряжением и током.
  .
• Некоторая часть этой мощности компенсируется на стороне клиента, а остальная часть загружает сеть.Контракты на поставку не требуют, чтобы cosφ был равен единице. Реактивная мощность также используется владельцем линии электропередачи для управления напряжением.
  .
• Реактивная составляющая тока добавляет к току нагрузки и увеличивает падение напряжения на импедансах сети. Регулируя поток реактивной мощности, оператор изменяет падения напряжения в линиях и, таким образом, напряжение в точке подключения потребителя. Напряжение на стороне потребителя зависит от всего, что происходит на пути от генератора до нагрузки потребителя.Все узлы, точки подключения других линий передачи, распределительные станции и другое оборудование вносят свой вклад в поток реактивной мощности.
  .
• Сама линия передачи также является источником реактивной мощности. Открытая на другом конце линия (без нагрузки) похожа на конденсатор и является источником емкостной (опережающей) реактивной мощности. Продольные индуктивности без тока не намагничиваются и не вносят никаких реактивных составляющих.
  .
• С другой стороны, когда линия проводит большой ток, преобладает вклад продольных индуктивностей, и сама линия становится источником индуктивной (запаздывающей) реактивной мощности.Для каждой строки может быть вычислено характерное значение расхода энергии Sk .
  .
• Если передаваемая мощность выше Sk, линия будет вводить дополнительную индуктивную реактивную мощность, а если она ниже Sk, линия будет вводить емкостную реактивную мощность. Значение Sk зависит от напряжения: для линии 400 кВ это около 32% от номинальной мощности передачи, для линии 220 кВ — около 28%, для линии 110 кВ — около 22%. Процент будет меняться в зависимости от параметров строительства.
  .
• Реактивная мощность, вносимая самими линиями, действительно мешает оператору системы передачи. Ночью, когда спрос невелик, необходимо подключать параллельные реакторы для потребления дополнительной емкостной реактивной мощности линий. Иногда возникает необходимость отключить малонагруженную линию (что однозначно сказывается на надежности системы). В часы пик не только нагрузки потребителей вызывают большие падения напряжения, но и индуктивная реактивная мощность линий увеличивает общий поток мощности и вызывает дальнейшие падения напряжения.
  .
• Регулирование напряжения и реактивной мощности имеет некоторые ограничения. Большая часть реактивной мощности вырабатывается в агрегатах электростанции. Генераторы могут обеспечивать плавно регулируемую опережающую и запаздывающую реактивную мощность без каких-либо затрат на топливо.
  .
• Однако реактивная мощность занимает генерирующую мощность и снижает выработку активной мощности. Кроме того, не стоит передавать реактивную мощность на большие расстояния (из-за потерь активной мощности). Контроль, обеспечиваемый «в пути» в линии передачи, узлах связи, распределительной станции и других точках, требует установки конденсаторов или \ и реакторов.
  .
• Часто используются с системой переключения ответвлений трансформатора. Диапазон регулирования напряжения зависит от их размера. Контроль может состоять, например, в повышении напряжения трансформатора и последующем уменьшении его за счет протекания реактивных токов.
  .
• Если напряжение трансформатора достигает наивысшего значения и все конденсаторы работают, то дальнейшее повышение напряжения на стороне потребителя невозможно. С другой стороны, когда требуется уменьшение, предел устанавливается максимальной реактивной мощностью реакторов и самым низким ответвлением трансформатора.

Практика планирования и оценки напряжения и реактивной мощности

(1) Основные принципы:

• Реактивная мощность не может передаваться на большие расстояния или через силовые трансформаторы из-за чрезмерных потерь реактивной мощности.
• Источник реактивной мощности должен располагаться в непосредственной близости от места его потребления.
• Необходима достаточная поддержка статического и динамического напряжения для поддержания уровней напряжения в приемлемом диапазоне.
• Должны быть в наличии достаточные резервы реактивной мощности для постоянного регулирования напряжения

(2) Ключевые последствия:

• Должны быть установлены и поддерживаться измерения, чтобы фиксировать фактическое реактивное потребление в различных точках.
• Планировщики передачи и распределения должны заранее определить требуемый тип и место реактивной коррекции.
• Устройства реактивной мощности должны обслуживаться и функционировать должным образом, чтобы обеспечить правильную величину компенсации реактивной мощности.
• Реактивные нагрузки распределения должны быть полностью скомпенсированы, прежде чем будет рассматриваться компенсация реактивной мощности передачи.

(3) Передача реактивной мощности

• Реактивная мощность не может эффективно передаваться на большие расстояния или через силовые трансформаторы из-за высоких потерь I2X
• Реактивная мощность должна располагаться в непосредственной близости от места ее потребления.

(4) Поддержка статического и динамического напряжения

• Тип требуемой компенсации реактивной мощности зависит от времени, необходимого для восстановления напряжения.
• Статическая компенсация идеально подходит для секундных и минутных ответов. (Конденсаторы, реакторы, переключатели).
• Динамическая компенсация идеальна для мгновенных откликов. (конденсаторы, генераторы)
• Для поддержания уровней напряжения в приемлемом диапазоне необходим правильный баланс статического и динамического напряжения.

(5) Реактивные резервы при различных условиях эксплуатации

• В идеале конденсаторы системы, реакторы и конденсаторы должны работать для обеспечения нормальной реактивной нагрузки.
• По мере увеличения нагрузки или после непредвиденных обстоятельств следует включать дополнительные конденсаторы или снимать реакторы для поддержания приемлемого напряжения в системе.
• Реактивная способность генераторов должна быть в основном зарезервирована на случай непредвиденных обстоятельств в системе сверхвысокого напряжения или для поддержки напряжений в экстремальных условиях эксплуатации системы.
• Схемы отключения нагрузки должны быть реализованы, если желаемое напряжение недостижимо из-за резервов реактивной мощности.

(6) Координация напряжения

• Реактивные источники должны быть скоординированы, чтобы обеспечить поддержание адекватного напряжения повсюду в соединенной системе во всех возможных состояниях системы.
• Поддержание приемлемого напряжения в системе включает в себя координацию источников и приемников, которые включают:
  1. Графики напряжения на заводе
  2. Настройки ответвлений трансформатора
  3. Настройки реактивного устройства
  4. Схемы отключения нагрузки.
• Последствия несогласованных операций могут включать:
  1. Повышенные потери реактивной мощности
  2. Снижение реактивного запаса, доступного для непредвиденных обстоятельств и условий экстремальной легкой нагрузки
  3. Чрезмерное переключение шунтирующих конденсаторов или реакторов
  4. Повышенная вероятность условий падения напряжения .

(7) График напряжения

• Каждой электростанции требуется поддерживать определенное напряжение на системной шине, к которой она подключена.
• Назначенный график позволит энергоблоку работать в обычном режиме:
  1. В середине диапазона реактивной способности в нормальных условиях
  2. В верхней части диапазона реактивной способности во время непредвиденных обстоятельств
  3. «Недостаточное возбуждение» или поглощение реактивной мощности в условиях экстремальных легких нагрузок.

(8) Настройки ответвлений трансформатора

• Отводы трансформатора должны быть согласованы друг с другом и с графиками напряжения ближайшей генерирующей станции.
• Отводы трансформатора следует выбирать таким образом, чтобы вторичные напряжения оставались ниже пределов оборудования в условиях небольшой нагрузки.

(9) Настройки реактивного устройства

• Конденсаторы в низковольтных сетях должны быть настроены на включение, чтобы поддерживать напряжение во время пиковых и аварийных условий. И
• «Выкл.», Когда больше не требуются поддерживающие уровни напряжения.

(10) Схемы отключения нагрузки

• Схемы отключения нагрузки должны быть реализованы как «последнее средство» для поддержания приемлемого напряжения.

(11) Управление напряжением и реактивной мощностью

• Требуется координация всех дисциплин по передаче и распределению.
• Передача требует:
  1. Прогнозировать реактивную потребность и требуемый запас запаса
  2. Спланировать, спроектировать и установить требуемый тип и место реактивной коррекции
  3. Поддерживать реактивные устройства для надлежащей компенсации
  4. Поддерживать счетчики для обеспечения точности данных
  5. При необходимости порекомендуйте правильную схему сброса нагрузки.
• Распределению необходимо:
  1. Полностью компенсировать распределительные нагрузки до того, как будет принята во внимание компенсация реактивной мощности передачи
  2. Поддерживать реактивные устройства для надлежащей компенсации
  3. Поддерживать счетчики для обеспечения точности данных
  4. Установить и протестировать схемы автоматического отключения нагрузки при пониженном напряжении

Ссылки:

1. Samir Aganoviş,
2. Zoran Gajiş,
3. Grzegorz Blajszczak- Варшава, Польша,
4. Gianfranco Chicco
5. Robert P.O’Connell-Williams Power Company
6. Harry L. Terhune — American Transmission Company,
7. Абрахам Ломи, Фернандо Альварадо, Благой Борисов, Лоуренс Д. Кирш
8. Роберт Томас,
9. НАЦИОНАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ OAK RIDGE

9 контент с рекламными ссылками

Активная, реактивная и полная мощность

Требуемый источник питания для электрической цепи зависит от

• активной мощности — фактическое электрическое сопротивление, потребляемая мощность в цепи
• реактивная мощность — мнимая индуктивная и емкостная потребляемая мощность в цепи

Требуемый источник питания называется полной мощностью и представляет собой комплексное значение, которое может быть выражено в виде треугольника Пифагора, как показано на рисунке ниже.

Полная мощность — S

Полная мощность — это мощность, подаваемая в электрическую цепь (обычно от поставщика энергии в сеть) для покрытия реальной и реактивной мощности, потребляемой нагрузкой.

Полная мощность может быть рассчитана как

S = (Q ² + P ² ) ^1/2 (1)

, где

S = полная мощность источника питания цепи ( вольт-ампер, ВА)

Q = потребляемая реактивная мощность в нагрузке (вольт-ампер, реактивная, вар)

P = активная потребляемая мощность в нагрузке (ватт, Вт)

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА) — напряжение системы переменного тока, умноженное на текущий ток.Полная мощность — это комплексное значение и векторная сумма активной и реактивной мощности, как показано на рисунке выше.

Однофазный ток

S = UI (2a)

, где

U = электрический потенциал (В)

I = ток (A)

Трехфазный ток

S = 3 ^1/2 UI

= 1.732 U I (2b)

Активная мощность — P

Активная — или Реальная или Истинная — мощность выполняет фактическую работу в нагрузке. Активная мощность измеряется в Вт (Вт) и представляет собой мощность, потребляемую электрическим сопротивлением.

• Истинная мощность — это ток в фазе с напряжением, умноженный на напряжение

Однофазный ток

P = UI cos φ

= UI PF (3a)

где

φ = фазовый угол между электрическим потенциалом (напряжением) и током


PF = cos φ

= коэффициент мощности

Трехфазный ток

P = 3 ^1/2 UI cos φ

= 1.732 U I PF (3b)

Постоянный ток

P = U I (3c)

Реактивная мощность — Q

Реактивная мощность — это мнимая или комплексная мощность в емкостной или индуктивной нагрузке. Реактивная мощность представляет собой обмен энергией между источником питания и реактивными нагрузками, при котором полезная мощность не увеличивается и не теряется. Чистая средняя реактивная мощность равна нулю. Реактивная мощность накапливается и разряжается асинхронными двигателями, трансформаторами, соленоидами и конденсаторами.Чистая катушка индуктивности и чистый конденсатор не потребляют никакой энергии, поскольку в течение полупериода, какая бы мощность ни принималась от источника этими компонентами, та же самая мощность возвращается к источнику.

Реактивная мощность должна быть минимизирована, поскольку она увеличивает общий ток, протекающий в электрической цепи, не создавая никакой работы для нагрузки. Повышенные реактивные токи приводят только к невосстановимым потерям мощности из-за сопротивления линии электропередачи.

Увеличение реактивной и полной мощности приведет к уменьшению коэффициента мощности — PF .

Реактивная индуктивная мощность измеряется в реактивных вольт-амперах (ВАР).

• Реактивная мощность — это ток, не совпадающий по фазе с напряжением, умноженным на напряжение

Однофазный ток

Q = UI sin φ (4a)

, где

φ = фазовый угол

Трехфазный ток

Q = 3 ^1/2 UI sin φ

= 1.732 UI sin φ (4b)

Определение реактивной мощности — Руководство по электрическому монтажу

Для большинства электрических нагрузок, таких как двигатели, ток I отстает от напряжения V на угол φ.

Если токи и напряжения являются идеально синусоидальными сигналами , для представления можно использовать векторную диаграмму.

На этой векторной диаграмме вектор тока можно разделить на две составляющие: одна в фазе с вектором напряжения (составляющая I _a ), вторая в квадратуре (отставание на 90 градусов) с вектором напряжения (составляющая I _r ).См. Рис. L1.

I _a называется активной составляющей тока.

I _r называется реактивной составляющей тока.

Рис. L1 — Векторная диаграмма токов

Предыдущая диаграмма, составленная для токов, также применима к мощности путем умножения каждого тока на общее напряжение V. См. Рис. L2.

Таким образом, мы определяем:

• Полная мощность : S = V x I (кВА)
• Активная мощность : P = V x Ia (кВт)
• Реактивная мощность : Q = V x Ir (квар)

Рис.{2}}

Коэффициент мощности, близкий к единице, означает, что полная мощность S минимальна. Это означает, что номинальные параметры электрического оборудования минимальны для передачи данной активной мощности P на нагрузку. Тогда реактивная мощность мала по сравнению с активной. мощность.

Низкое значение коэффициента мощности указывает на противоположное состояние.

Полезные формулы (для сбалансированных и почти сбалансированных нагрузок в 4-проводных системах):

• Активная мощность P (в кВт)
  • Однофазный (1 фаза и нейтраль): P = V.I.cos φ
  • Однофазный (между фазами): P = U.I.cos φ
  • Трехфазный (3 провода или 3 провода + нейтраль): P = √3.U.I.cos φ
• Реактивная мощность Q (в квар)
  • Однофазный (1 фаза и нейтраль): Q = V.I.sin φ
  • Однофазный (между фазами): Q = U.I.sin φ
  • Трехфазный (3 провода или 3 провода + нейтраль): Q = √3.U.I.sin φ
• Полная мощность S (в кВА)
  • Однофазный (1 фаза и нейтраль): S = V.Я
  • Однофазный (между фазами): S = U.I
  • Трехфазный (3 провода или 3 провода + нейтраль): S = √3.U.I

где:

В = Напряжение между фазой и нейтралью
U = Напряжение между фазами
I = Линейный ток
φ = Фазовый угол между векторами V и I.

Пример расчета мощности (см.

рис. L3)

Рис. L3 — Пример расчета активной и реактивной мощности

Тип цепи		Полная мощность S (кВА)	Активная мощность P (кВт)	Реактивная мощность Q (квар)
Однофазный (фаза и нейтраль)		S = VI	P = VI cos φ	Q = VI sin φ
Однофазный (между фазами)		S = UI	P = UI cos φ	Q = UI sin φ
Пример: нагрузка 5 кВт, cos φ = 0.5		10 кВА	5 кВт	8,7 квар
Трехфазное 3-проводное или 3-проводное + нейтраль		S = 3 {\ displaystyle {\ sqrt {3}}} пользовательского интерфейса	P = 3 {\ displaystyle {\ sqrt {3}}} UI cos φ	Q = 3 {\ displaystyle {\ sqrt {3}}} грех пользовательского интерфейса φ
Пример	Двигатель Pn = 51 кВт	65 кВА	56 кВт	33 квар
	cos φ = 0,86
	ρ = 0.91 (КПД двигателя)

Расчеты для трехфазного примера, приведенного выше, следующие:

Pn = поставленная мощность на валу = 51 кВт

P = потребляемая активная мощность

P = Pnρ = 510,91 = 56 кВт {\ displaystyle P = {\ frac {Pn} {\ rho}} = {\ frac {51} {0.91}} = 56 \, кВт}

S = полная мощность

S = Pcosφ = 560,86 = 65 кВА {\ displaystyle S = {\ frac {P} {cos \ varphi}} = {\ frac {56} {0.86}} = 65 \, кВА}

Таким образом, при обращении к рис. L16 или использовании карманного калькулятора значение tan φ, соответствующее cos φ, равному 0.{2}}} = 33 \, квар}

Рис. L4 — Расчетная диаграмма мощности

Понимание основ реактивной мощности

Реактивная мощность непонятна для не инженеров и важна при проектировании электрических систем, особенно на уровне распределения. В то время как понимание реактивной мощности требует знания интегрального исчисления, основные интуитивные представления могут быть поняты без строгого математического исследования. По мере того как системы распределения становятся более сложными с распределенными энергоресурсами и требуют автоматизации, участники отрасли нуждаются в общем понимании значения «мнимой мощности» для эффективности и стабильности системы.

Реактивная мощность — это бесполезная и необходимая электроэнергия

Электрические мощность (P, в ваттах) состоит из напряжения, (В, в вольтах) и тока (I, в амперах). Формула P = V × I. Хорошая аналогия для описания взаимосвязи между напряжением и током — вода, текущая по реке. Ток — это скорость воды, а напряжение — это наклон реки. Когда становится круче, эта река ведет себя странно. Скорость течения остается прежней, однако вода становится более плотной, и в результате поток становится тяжелее.Способность потока толкать вас вниз по реке — скорость течения, умноженная на плотность воды (напряжение), — это сила реки.

Кажущаяся мощность реки — если ее просто измерить — включает как поступательное движение, так и нисходящее давление на русло реки. В то время как поступательное движение полезно для выполнения работы (например, для запуска небольшой гидротурбины), давление на русло реки служит только для поддержки потока. Это разница между активной мощностью (P, в ваттах) и реактивной мощностью (VAr, в мнимых ваттах).Отношение реактивной мощности к полной мощности (активная мощность ² + реактивная мощность ² ) ^1/2 называется коэффициентом мощности . Рассмотрим пример лошади, тянущей дрезину.

Пример коэффициента мощности: лошадь и дрезина


Источник: Consolidated Edison

Как показано на изображении выше, представьте лошадь, которая тянет железнодорожный вагон со стороны пути. Хотя лошадь привязана по диагонали, вагон может двигаться только по рельсам.Сила натяжения веревки — это кажущаяся мощность; только часть этой мощности составляет «рабочая» (реальная) мощность, которая тянет вагон вперед. Из-за угла тяги лошади часть затраченной энергии тратится как «нерабочая» (реактивная) мощность. По мере увеличения этого угла соотношение между реальной мощностью и реактивной мощностью уменьшается до тех пор, пока лошадь не отъедет прямо от путей, не двигая вагон вообще. Это соотношение часто рассчитывается как коэффициент мощности: активная мощность, деленная на полную мощность (активная + реактивная).

Огромные отключения электроэнергии в результате сбоев реактивной мощности

Реактивная мощность важна для потока мощности, потому что она помогает регулировать напряжение. Возвращаясь к аналогии с рекой, без русла реки, противодействующего движению вперед, не могло быть потока воды. Увеличение реактивной мощности можно охарактеризовать как повышение крутизны русла при одновременном «выдавливании» воды вперед. Это «сжатие» увеличивает плотность воды и позволяет ей двигаться дальше. Точно так же реактивная мощность имеет решающее значение в линиях электропередачи для увеличения напряжения на входе и «сжатия» потока на выходе.

Производство реактивной мощности, иногда называемой мнимой мощностью , требует мощности электростанции, но не приносит прямой экономической ценности — представьте лошадь, тянущую вагон по диагонали. Для интегрированных монопольных коммунальных предприятий использование электростанций для выработки реактивной мощности компенсируется тарифной базой. Для коммерческих генераторов реактивная мощность отнимается от мощности электростанции, которая вместо этого может производить реальную мощность. Таким образом, реактивная мощность должна компенсироваться в качестве вспомогательной услуги.

14 июля 2003 г. произошло историческое отключение электроэнергии на северо-востоке США и Канады, от которого пострадали около 55 миллионов человек в восьми штатах и ​​одной провинции. Среди причин этого огромного сбоя системы серьезный недостаток реактивной мощности был назван важным фактором. В часы, предшествовавшие отключению электроэнергии, спрос на реактивную мощность был особенно высоким из-за больших объемов потоковой передачи данных на большие расстояния через Огайо в Канаду. В то же время подача реактивной мощности была опасно низкой отчасти из-за отсутствия стимула для производства реактивной мощности.Сбои реактивной мощности также способствовали отключениям электроэнергии на Западе (1996 г.) и во Франции (1978 г.).

Реактивная мощность возникает в результате задержки между током и напряжением

В цепи постоянного тока (DC) мощность имеет постоянную интенсивность и может течь только в одном направлении. С другой стороны, ток и напряжение в цепях переменного тока (AC) быстро колеблются, и кажется, что мощность течет во всех направлениях. Скорость колебаний обозначается как частота , а задержка между двумя «частотами» — их фазовый угол .Фазовый угол важен как в одном месте, так и между двумя точками. Например, задержка частоты напряжения между начальной и конечной точками провода создает поток энергии . Важным моментом в цепях переменного тока является задержка между колебаниями напряжения и тока в любой отдельной точке. Когда ток и напряжение в одной точке находятся на в фазе друг с другом, таким образом, имея точно такую ​​же синхронизацию, вся мощность, возникающая в результате потока, составляет реальной мощности .По мере того, как задержка между током и напряжением увеличивается, увеличивается и величина реактивной мощности — лошадь все больше отдаляется от вагона. Реактивная мощность присутствует всякий раз, когда ток либо «отстает», либо «опережает» напряжение.

Фазы тока, напряжения и мощности в системе переменного тока


Источник: MIT Electric Grid of the Future Report

Препятствия для потоков мощности в линии электропередачи называются сопротивлением . Эти импедансы могут быть сопротивлением или реактивным сопротивлением. Сопротивление — это трение электронов с атомами внутри электрических проводников, которое одинаково влияет как на ток, так и на напряжение, преобразуя небольшое количество энергии в ненужное тепло. Реактивное сопротивление может относиться к электрическим полям или магнитным полям. Электрические поля , которые влияют на напряжение, создаются, когда две электрически заряженные металлические пластины помещаются близко друг к другу, не касаясь друг друга. Эти конденсаторы создают напряжение без протекания тока, таким образом эффективно сохраняя и задерживая колебания напряжения относительно тока. Магнитные поля , с другой стороны, заставляют ток совершать «обход» относительно напряжения. Сами по себе электрические линии постоянно накапливают и извлекают переменный ток в магнитном поле, которое вращается по спирали вокруг провода. «Катушки индуктивности » представляют собой специально разработанные катушки из проволоки, предназначенные для хранения тока в магнитных полях. Некоторые приборы, такие как электродвигатели и холодильники, обладают индуктивными свойствами.

Когда ток отстает от напряжения, в цепи присутствует положительной реактивной мощности .Наиболее важной причиной положительной реактивной мощности является реактивное сопротивление самих линий электропередач. На всем протяжении линии часть тока проходит «в обход» спиралевидного магнитного поля вокруг линии. Трансформаторы, в которых используются катушки индуктивности, также подают положительную реактивную мощность в линии. На границе сети индуктивные приборы, такие как электродвигатели и холодильники, также вносят положительную реактивную мощность.

Поскольку более высокая реактивная мощность соответствует более высокому напряжению, слишком большая положительная реактивная мощность в одной части сети может вызвать резкое падение напряжения.Чтобы компенсировать реактивное сопротивление линий электропередач, трансформаторов и индуктивных устройств, необходимо обеспечить достаточную подачу отрицательной реактивной мощности. Эта услуга может предоставляться электростанциями, хотя и за счет реальной выработки электроэнергии и ограничена пропускной способностью передачи. В качестве альтернативы, отрицательная реактивная мощность может использоваться ниже по потоку для улучшения потока мощности. Например, конденсаторы, расположенные ниже по потоку рядом с трансформаторами и индуктивными нагрузками, могут использоваться для уменьшения падений напряжения там, где это наиболее необходимо.Некоторые электрические устройства, такие как интеллектуальные инверторы, также могут локально стабилизировать реактивную мощность.

Регулирование реактивной мощности в системе распределения электроэнергии

Хотя реактивная мощность важна для стабильности напряжения при передаче, слишком большая положительная реактивная мощность в системе распределения влияет на энергоэффективность. Возвращаясь к примеру с лошадью и железнодорожным вагоном, увеличение угла тяги снижает количество реальной мощности, прикладываемой к железнодорожному вагону. В 2011 году компания Consolidated Edison в Нью-Йорке ввела плату за реактивную мощность, чтобы наказать крупных потребителей электроэнергии с неэффективным индукционным оборудованием.Коммунальное предприятие рекомендует крупным клиентам устанавливать конденсаторы рядом с индуктивными нагрузками, циклически повторять работу индуктивного оборудования и модернизировать свои предприятия более эффективным оборудованием, чтобы поддерживать коэффициент мощности выше 95%.

Реактивная мощность — задержка между напряжением и током в заданной точке — подвержена ограничениям передачи. В результате часто необходимо производить реактивную мощность вблизи того места, где она необходима. Кроме того, некоторым приборам, таким как электродвигатели, требуется отрицательная реактивная мощность для правильной работы своих магнитов.Таким образом, подача реактивной мощности на месте намного эффективнее, чем получение ее издалека. Именно здесь распределенные энергоресурсы могут принести значительные выгоды для регулирования реактивной мощности.

Согласно SDG & E, интеллектуальные инверторы могут эффективно регулировать реактивную мощность с небольшими дополнительными затратами. В январе 2014 года Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии выпустила технический отчет, в котором рекомендуются стандарты возможностей интеллектуальных инверторов. PJM также выступила с убедительными заявлениями в поддержку интеллектуальных инверторов для регулирования реактивной мощности.Согласно документам рабочей группы IEEE 1547, «результаты […] моделирования показывают, что реальный и реактивный противоток не является существенной проблемой и что никаких существенных изменений в работе фидера не требуется вносить на высоких уровнях [умного] инвертор проникновения ». В апреле 2014 года FERC опубликовала отчет персонала с описанием методик компенсации реактивной мощности в качестве вспомогательной услуги. С добавлением новых возможностей «умных сетей», таких как автоматизация, прогнозная аналитика и локальная координация, реактивная мощность может стать той лошадью, которую мы можем приручить.