Реактивная мощность электрического тока. Что такое активная, реактивная и полная мощность

Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы , то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках, увеличивается падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи , что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности , в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности . Компенсация реактивной мощности – вот ключ к решению вопроса энергосбережения.

Потребители реактивной мощности

Основные потребители реактивной мощности - , которые потребляют 40 % всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами; электрические печи 8 %; преобразователи 10 %; трансформаторы всех ступеней трансформации 35 %; линии электропередач 7 %.

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а уменьшается при малой нагрузке. Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40 .

Малонагруженные трансформаторы также имеют низкий (косинус фи). Поэтому, применять компенсацию реактивной мощности, то результирующий косинус фи энергетической системы будет низок и ток нагрузки электрической, без компенсации реактивной мощности, будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от косинус фи на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.

Кроме этого, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии , а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

Структура потребителей реактивной мощности в сетях энергосистем (по установленной активной мощности):

Прочие преобразователи: переменного тока в постоянный, тока промышленной частоты в ток повышенной или пониженной частоты, печная нагрузка (индукционные печи, дуговые сталеплавильные печи), сварка (сварочные трансформаторы, агрегаты, выпрямители, точечная, контактная).

Суммарные абсолютные и относительные потери реактивной мощности в элементах питающей сети весьма велики и достигают 50% мощности, поступающей в сеть. Примерно 70 - 75% всех потерь реактивной мощности составляют потери в трансформаторах.

Так, в трехобмоточном трансформаторе ТДТН-40000/220 при коэффициенте загрузки, равном 0,8, потери реактивной мощности составляют около 12%. На пути от электростанции происходит самое меньшее три трансформации напряжения, и поэтому потери реактивной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах достигают больших значений.

Способы снижения потребления реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности

Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок) .

Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:

• разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;

• снизить расходы на оплату электроэнергии

• при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник;

• подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;

• сделать распределительные сети более надежными и экономичными.
  

Чтобы правильно рассчитать нагрузку потребителей по мощности необходимо знать: какие бывают приемники напряжения. Что такое активная, реактивная и линейная нагрузка? Треугольник мощностей. Что такое пусковой ток? Все это разберем по порядку.

К приемникам напряжения относятся все устройства, которые подключаются к источникам напряжения. К ним относятся: электровентилятор, электроплита, стиральная машина, компьютер, телевизор, электродвигатель, бытовой электроинструмент и другие электропотребители.
В цепях переменного тока нагрузки разделяются на активные, реактивные и нелинейные. В цепях постоянного тока деления на типы нагрузок нет.

Активная нагрузка

К устройствам с активной нагрузкой причисляются нагревательные приборы (утюги, электроплиты, лампы накаливания, электрические чайники). Подобные приборы вырабатывают тепло и свет. Они не содержат индуктивности и емкости. Активная нагрузка преобразовывает электроэнергию в свет и тепло.

Реактивная нагрузка содержит емкость и индуктивность. Данные параметры имеют качество собирать энергию, а потом отдавать ее в сеть. Примером может служить электродвигатель, электрическая мясорубка, бытовой инструмент (пылесос, кухонный комбайн). То есть, все устройства, которые содержат электродвигатели.

Треугольник мощностей

Чтобы разобраться с реактивной нагрузкой рассмотрим треугольник мощностей.

где Р – активная мощность, которая измеряется в Ватах и используется для совершения полезной работы;

Q – реактивная, которая измеряется в Варах и используется для создания электромагнитного поля;

S – полная мощность используется для расчета электрических цепей.

Для расчета полной мощности применяем теорему Пифагора: S 2 =P 2 +Q 2 . Или с помощью формулы: S=U*I, где U – это показание напряжения на нагрузке, I — показание амперметра, которое включается последовательно с нагрузкой. В расчетах также используется коэффициент мощности – cosφ. На приборах, которые относятся к реактивной нагрузке, обычно указаны активная мощность и cosφ. С помощью этих параметров также можно получить полную мощность.

Иногда на приборах указывается полная мощность, а cosφ не указан. В этом случае применяется коэффициент 0,7.

Нелинейная нагрузка

Имеет особенность в том, что напряжение и ток не пропорциональны. К нелинейной нагрузке относятся телевизоры, музыкальные центры, настольные электронные часы, компьютеры и его компоненты. Сама нелинейность обусловлена тем, что данное электронное устройство использует импульсные блоки питания. Для подзарядки конденсатора, которые стоят в импульсном блоке питания, достаточно вершины синусоиды.

В остальное время энергию из сети конденсатор не потребляет. В этом случае ток имеет импульсное качество. К чему это все приводит? Это приводит к тому, что синусоида искажается. Но не все электронные устройства работают с искаженной синусоидой. Эта проблема решается за счет применения стабилизаторов двойного преобразования, где сетевое питание преобразуется в постоянное. Затем из постоянного преобразуется в переменное нужной формы и амплитуды.

Пусковой ток

При расчете необходимо учитывать и пусковые токи устройства. Например, сопротивление нити накаливания в лампочке в момент включения в 10 раз меньше, чем в рабочем режиме. Следовательно, пусковой ток этой лампочки в 10 раз больше. Через некоторое время она начнет потреблять ту мощность, которая записана в данных этой лампочки. Поэтому, при включении она перегорает за счет больших пусковых токов.

В радиоэлектронной аппаратуре пока не зарядится конденсатор в блоке питания, также образуется пусковой ток.

В электродвигателях тоже образуется пусковой ток, пока двигатель не наберет номинальные обороты.

В нагревательных приборах пусковой ток образуется, пока спираль не нагреется до дежурной температуры.

Главная цель при передаче электроэнергии – повышение эффективности работы сетей. Следовательно, необходимо уменьшение потерь. Основной причиной потерь является реактивная мощность, компенсация которой значительно повышает качество электроэнергии.

Реактивная мощность вызывает ненужный нагрев проводов, перегружаются электроподстанции. Трансформаторная мощность и кабельные сечения вынужденно подвергаются завышениям, сетевое напряжение снижается.

Понятие о реактивной мощности

Для выяснения, что же такое реактивная мощность, надо определить другие возможные виды мощности. При существовании в контуре активной нагрузки (резистора) происходит потребление исключительно активной мощности, полностью расходуемой на энергопреобразование. Значит, можно сформулировать, что такое активная мощность, – та, при которой ток совершает эффективную работу.

На постоянном токе происходит потребление исключительно активной мощности, рассчитываемой соответственно формуле:

Измеряется в ваттах (Вт).

В электроцепях с переменным током при наличии активной и реактивной нагрузки мощностной показатель суммируется из двух составных частей: активной и реактивной мощности.

1. Емкостная (конденсаторы). Характеризуется фазовым опережением тока по сравнению с напряжением;
2. Индуктивная (катушки). Характеризуется фазовым отставанием тока по отношению к напряжению.

Если рассмотреть контур с переменным током и подсоединенной активной нагрузкой (обогреватели, чайники, лампочки с накаливающейся спиралью), ток и напряжение будут синфазными, а полная мощность, взятая в определенную временную отсечку, вычисляется путем перемножения показателей напряжения и тока.

Однако когда схема содержит реактивные компоненты, показатели напряжения и тока не будут синфазными, а будут различаться на определенную величину, определяемую углом сдвига «φ». Пользуясь простым языком, говорится, что реактивная нагрузка возвращает столько энергии в электроцепь, сколько потребляет. В результате получится, что для активной мощности потребления показатель будет нулевой. Одновременно по цепи протекает реактивный ток, не выполняющий никакую эффективную работу. Следовательно, потребляется реактивная мощность.

Реактивная мощность – часть энергии, которая позволяет устанавливать электромагнитные поля, требуемые оборудованием переменного тока.

Расчет реактивной мощности ведется по формуле:

Q = U x I x sin φ.

В качестве единицы измерения реактивной мощности служит ВАр (вольтампер реактивный).

Выражение для активной мощности:

P = U x I x cos φ.

Взаимосвязь активной, реактивной и полной мощности для синусоидального тока переменных значений представляется геометрически тремя сторонами прямоугольного треугольника, называемого треугольником мощностей. Электроцепи переменного тока потребляют две разновидности энергии: активную мощность и реактивную. Кроме того, значение активной мощности никогда не является отрицательным, тогда как для реактивной энергии возможна либо положительная величина (при индуктивной нагрузке), либо отрицательная (при емкостной нагрузке).

Важно! Из треугольника мощностей видно, что всегда полезно снизить реактивную составляющую, чтобы повысить эффективность системы.

Полная мощность не находится как алгебраическая сумма активного и реактивного мощностного значения, это векторная сумма P и Q. Ее количественное значение вычисляется извлечением квадратного корня из суммы квадратов мощностных показателей: активного и реактивного. Измеряться полная мощность может в ВА (вольтампер) или производных от него: кВА, мВА.

Чтобы была рассчитана полная мощность, необходимо знать разность фаз между синусоидальными значениям U и I.

Коэффициент мощности

Пользуясь геометрически представленной векторной картиной, можно найти отношение сторон треугольника, соответствующих полезной и полной мощности, что будет равно косинусу фи или мощностному коэффициенту:

Данный коэффициент находит эффективность работы сети.

Количество потребляемых ватт – то же самое, что и количество потребляемых вольтампер при мощностном коэффициенте, равном 1 или 100%.

Важно! Полная мощность тем ближе к показателю активной, чем больше cos φ, или чем меньше угол сдвига синусоидальных величин тока и напряжения.

Если, к примеру, имеется катушка, для которой:

• Р = 80 Вт;
• Q = 130 ВАр;
• тогда S = 152,6 BA как среднеквадратичный показатель;
• cos φ = P/S = 0,52 или 52%

Можно сказать, что катушка требует 130 ВАр полной мощности для выполнения полезной работы 80 Вт.

Коррекция cos φ

Для коррекции cos φ применяется тот факт, что при емкостной и индуктивной нагрузке вектора реактивной энергии располагаются в противофазе. Так как большинство нагрузок является индуктивными, подключив емкость, можно добиться увеличения cos φ.

Главные потребители реактивной энергии:

1. Трансформаторы. Представляют собой обмотки, имеющие индуктивную связь и посредством магнитных полей преобразуюшие токи и напряжения. Эти аппараты являются основным элементом электросетей, передающих электроэнергию. Особенно увеличиваются потери при работе на холостом ходу и при низкой нагрузке. Широко используются трансформаторы в производстве и в быту;
2. Индукционные печи, в которых расплавляются металлы путем создания в них вихревых токов;
3. Асинхронные двигатели. Крупнейший потребитель реактивной энергии. Вращающий момент в них создается посредством переменного магнитного поля статора;
4. Преобразователи электроэнергии, такие как силовые выпрямители, используемые для питания контактной сети железнодорожного транспорта и другие.

Конденсаторные батареи подсоединяются на электроподстанциях для того, чтобы контролировать напряжение в пределах установленных уровней. Нагрузка меняется в течение дня с утренними и вечерними пиками, а также на протяжении недели, снижаясь в выходные, что изменяет показатели напряжения. Подключением и отключением конденсаторов варьируется его уровень. Это делается от руки и с помощью автоматики.

Как и где измеряют cos φ

Реактивная мощность проверяется по изменению cos φ специальным прибором – фазометром. Его шкала проградуирована в количественных значениях cos φ от нуля до единицы в индуктивном и емкостном секторе. Полностью скомпенсировать негативное влияние индуктивности не удастся, но возможно приближение к желаемому показателю – 0,95 в индуктивной зоне.

Фазометры применяются при работе с установками, способными повлиять на режим работы электросети через регулирование cos φ.

1. Так как при финансовых расчетах за потребленную энергию учитывается и ее реактивная составляющая, то на производствах устанавливаются автоматические компенсаторы на конденсаторах, емкость которых может меняться. В сетях, как правило, используются статические конденсаторы;
2. При регулировании cos φ у синхронных генераторов путем изменения возбуждающего тока необходимо его отслеживать визуально в ручных рабочих режимах;
3. Синхронные компенсаторы, представляющие собой синхронные двигатели, работающие без нагрузки, в режиме перевозбуждения выдают в сеть энергию, которая компенсирует индуктивную составляющую. Для регулирования возбуждающего тока наблюдают за показаниями cos φ по фазометру.

Коррекция коэффициента мощности – одна из эффективнейших инвестиций для сокращения затрат на электроэнергию. Одновременно улучшается качество получаемой энергии.

Видео

Общая зависимость электрической мощности от электрического тока и напряжения известна давно: это произведение. Помножим ток на напряжение – получим значение этой величины, потребляемой цепью из сети.

Но на деле все может оказаться не так просто. Потому что, просто умножив напряжение на ток, мы получим значение полной мощности. Казалось бы – это то, что нужно! Ведь обычно нас интересует именно полное значение любой величины.

Однако на электрическую мощность такое отношение распространять нельзя, так как электроэнергия и мощность, на основании которых изменяются показания нашего квартирного счетчика – не полные, а активные.

Активная мощность – это та мощность, которая потребляется в тот момент, когда в сети в один и тот же момент есть и напряжение, и синхронный с ним электрический ток. На самом деле, в цепях постоянного тока за исключением переходных процессов при включении-выключении так оно и бывает.

Постоянно «жмет» напряжение, если цепь замкнута – постоянно «давит» некоторый ток. В итоге полная и активная мощность становятся равны, поскольку ток и напряжение действуют согласованно.

Иное дело – цепи переменного тока. Напряжение в них меняет свое направление пятьдесят раз в секунду, а ток… иногда приотстает, а иногда опережает напряжение. К примеру, если в цепи имеется «индуктивность», то есть, катушка из провода, имеющая множество витков, то ток на таком элементе цепи «отстанет» от напряжения.

Причина заключается в противо-ЭДС самоиндукции, сопротивляющейся изменению тока в катушке. Получается, что напряжение к индуктивности уже приложено, а ток еще никак не может возрасти из-за помех со стороны противо-ЭДС.

В среде учащихся многих электротехнических ВУЗов бытует такое художественное сравнение: «Для тока требуется время, чтобы он мог пробежать через каждый виток, а напряжение – вот оно, уже на концах катушки».

ЭДС противоиндукции вызывает падение напряжения и снижение тока в цепи. То есть, катушка является источником индуктивного сопротивления. Но оно отличается от активного сопротивления тем, что на нем не выделяется никакого тепла и вообще не потребляется никакой мощности в привычном понимании.

Происходит просто «пустопорожнее» переливание электроэнергии от источника к индуктивности. И энергия, перенаправляемая туда и обратно как мяч в настольном теннисе, никуда из сети не уходит. Это реактивная энергия и потребителю в быту за нее не приходится платить энергосбытовой компании.

Реактивная энергия , производимая в сети в единицу времени, может считаться реактивной мощностью. Вычисляется она так же, как и активная – произведением реактивной составляющей тока на напряжение.

Реактивной же составляющей тока является та, которая не совпадает с напряжением по своей фазе. Величина «несовпадения» характеризуется углом сдвига фаз. В случае с чистой индуктивностью сдвиг фаз составляет максимум – 90°. Это означает, что когда напряжение достигает самого большого своего значения, ток только начинает расти.

А если в цепи расположен конденсатор (емкость), то напряжение, напротив, будет отставать от тока на 90 градусов по причине того, что для возникновения падения напряжения конденсатору требуется зарядить свои обкладки.

Точно так же источник и конденсатор в одной цепи будут обмениваться реактивной энергией, которая ни на что не будет тратиться.

В реальной цепи не бывает чисто активной или чисто реактивной нагрузки, поэтому полная мощность всегда состоит из активной и реактивной составляющей, а угол сдвига фаз находится в пределах между нулем и 90°.

Реактивная составляющая тока равна его произведению на синус угла сдвига фаз, а активная – произведению на косинус этого угла:

Q=I*sin⁡φ; P=I*cosφ

Полную мощность можно найти по теореме Пифагора:

S=√(P^2+Q^2);

При этом, реактивную мощность, в отличие от активной, нельзя исчислять в ваттах, потому что она неэффективна. Поэтому для реактивной мощности придумали особую единицу измерения – вольт-амперы реактивные (ВАРы). А полная измеряется в вольт-амперах, без уточнения характера нагрузки.

Для энергетиков предприятий и крупных торговых центров сомнений в существовании реактивной энергии нет. Ежемесячные счета и вполне реальные деньги, которые уходят на оплату реактивной электроэнергии , убеждают в реальности ее существования. Но некоторые электротехники всерьез, с математическими выкладками, доказывают, что данный тип электроэнергии фикция, что разделение электрической энергии на активную и реактивную составляющие искусственно.

Давайте попробуем и мы разобраться в этом вопросе, тем более, что на незнании отличий разных видов электроэнергии спекулируют создатели . Обещая огромные проценты , они сознательно или по незнанию подменяют один вид электрической энергии другим.

Начнем с понятий активной и реактивной электроэнергии. Не вдаваясь в дебри формул электротехники, можно определить активную энергию как ту, которая совершает работу: нагревает пищу на электроплитах, освещает ваше помещение, охлаждает воздух с помощью кондиционера. А реактивная электроэнергия создает необходимые условия для совершения подобной работы. Не будет реактивной энергии, и двигатели не смогут вращаться, холодильник не будет работать. В ваше помещение не поступит напряжение величиной 220 Вольт, так как ни один силовой трансформатор не работает без потребления реактивной электроэнергии.

Если на осциллографе одновременно наблюдать сигналы тока и напряжения, то две эти синусоиды всегда имеют сдвиг относительно друг друга на величину, называемую фазовым углом . Вот этот сдвиг и характеризует вклад реактивной энергии в полную энергию, потребляемую нагрузкой. Измеряя только ток в нагрузке, выделить реактивную часть энергии невозможно.

Учитывая, что реактивная энергия не совершает работы, ее можно вырабатывать на месте потребления. Для этого служат конденсаторы. Дело в том, что катушки и конденсаторы потребляют различные виды реактивной энергии: индуктивную и емкостную соответственно. Они сдвигают кривую тока по отношению к напряжению в противоположные стороны.

В силу этих обстоятельств конденсатор можно считать потребителем емкостной энергии или генератором индуктивной. Для двигателя, потребляющего индуктивную энергию, конденсатор, расположенный рядом, может стать ее источником. Такая обратимость возможна только для реактивных элементов схемы, не совершающих работу. Для активной энергии подобная обратимость не существует: ее генерация связана с затратами топлива. Ведь прежде чем совершить работу, нужно затратить энергию.

В бытовых условиях за реактивную энергию электропередающие организации плату не изымают, и бытовой счетчик считает только активную составляющую электрической энергии. Совершенно другая ситуация на крупных предприятиях: большое количество электродвигателей, сварочных аппаратов и трансформаторов, для работы которых требуется реактивная энергия, создают дополнительную нагрузку на линии электропередач. При этом растет ток и тепловые потери уже активной энергии.

В этих случаях потребление реактивной энергии учитывается счетчиком и отдельно оплачивается. Стоимость реактивной электроэнергии меньше стоимости активной, но при больших объемах ее потребления платежи могут быть очень значительными. Кроме этого, за потребление реактивной энергии сверх оговоренных значений, накладываются штрафы. Поэтому экономически выгодно для подобных предприятий становится выработка подобной энергии на месте ее потребления.

Для этого применяются или отдельные конденсаторы, или автоматические установки компенсации, которые отслеживают объемы потребления и подключают или отключают конденсаторные батареи. Современные системы компенсации позволяют значительно уменьшить потребление реактивной энергии из внешней сети.

Возвращаясь к вопросу в заголовке статьи, можно ответить на него утвердительно. Реактивная энергия существует. Без нее невозможна работа электроустановок, в которых создается магнитное поле. Не совершая видимой работы, она, тем не менее, является необходимым условием для выполнения работ, совершаемой активной электрической энергией.