Активная и реактивная энергия: особенности, различия и применение в электротехнике

Что такое активная и реактивная энергия. Как они отличаются друг от друга. Почему важно учитывать реактивную составляющую. Как измеряется и компенсируется реактивная мощность.

Основные понятия активной и реактивной энергии

В электротехнике выделяют два основных вида энергии:

• Активная энергия — та часть энергии, которая преобразуется в полезную работу (нагрев, освещение и т.д.).
• Реактивная энергия — энергия, которая циркулирует между источником и приемником, не совершая полезной работы.

Активная энергия измеряется в киловатт-часах (кВт*ч), реактивная — в киловар-часах (кВАр*ч).

Чем отличается активная энергия от реактивной?

Основные отличия активной и реактивной энергии:

1. Активная энергия преобразуется в полезную работу, реактивная — нет.
2. Активная энергия необратимо потребляется нагрузкой, реактивная — циркулирует в сети.
3. Активная энергия учитывается при расчетах с потребителями, реактивная — только для крупных промышленных потребителей.
4. Активная энергия всегда положительна, реактивная может быть как положительной, так и отрицательной.

Почему важно учитывать реактивную составляющую?

Учет реактивной энергии важен по нескольким причинам:

• Реактивная энергия увеличивает потери в сетях.
• Она снижает пропускную способность линий электропередачи.
• Вызывает дополнительный нагрев проводов и оборудования.
• Приводит к колебаниям напряжения в сети.

Поэтому для крупных потребителей устанавливаются нормативы по потреблению реактивной энергии.

Как измеряется активная и реактивная мощность?

Для измерения активной и реактивной мощности используются специальные приборы:

• Ваттметры — для измерения активной мощности.
• Варметры — для измерения реактивной мощности.
• Счетчики электроэнергии — для учета потребления активной и реактивной энергии за период времени.

Современные цифровые счетчики могут измерять оба вида энергии одновременно.

Способы компенсации реактивной мощности

Для снижения потребления реактивной мощности применяются следующие методы:

1. Установка конденсаторных батарей.
2. Использование синхронных двигателей в режиме перевозбуждения.
3. Применение статических тиристорных компенсаторов.
4. Установка активных фильтров высших гармоник.

Выбор способа компенсации зависит от характера нагрузки и требуемой мощности компенсации.

Треугольник мощностей в электротехнике

Треугольник мощностей наглядно показывает соотношение между активной, реактивной и полной мощностью:

• Активная мощность P — горизонтальный катет.
• Реактивная мощность Q — вертикальный катет.
• Полная мощность S — гипотенуза.

Угол φ между векторами P и S называется углом сдвига фаз. Косинус этого угла — коэффициент мощности.

Влияние коэффициента мощности на работу электрооборудования

Коэффициент мощности cosφ показывает, какая часть полной мощности преобразуется в активную:

• При cosφ = 1 вся мощность является активной.
• При cosφ = 0 вся мощность является реактивной.
• Обычно cosφ находится в диапазоне 0,8-0,95.

Низкий коэффициент мощности приводит к увеличению потерь в сети и снижению КПД оборудования.

Как улучшить коэффициент мощности?

Основные способы повышения коэффициента мощности:

1. Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторных установок.
2. Замена недогруженных двигателей на меньшие по мощности.
3. Использование синхронных двигателей вместо асинхронных.
4. Применение преобразователей частоты для регулирования скорости двигателей.

Повышение коэффициента мощности позволяет снизить потери и повысить энергоэффективность.

Особенности учета реактивной энергии для разных потребителей

Требования к учету реактивной энергии различаются для разных категорий потребителей:

• Для бытовых потребителей учет реактивной энергии не производится.
• Для мелких коммерческих потребителей учет ведется по активной энергии.
• Для крупных промышленных потребителей обязателен учет как активной, так и реактивной энергии.

Промышленные потребители обязаны поддерживать коэффициент мощности не ниже нормативного значения.

Заключение

Понимание особенностей активной и реактивной энергии важно для эффективного использования электроэнергии. Учет и компенсация реактивной составляющей позволяет снизить потери, повысить пропускную способность сетей и увеличить срок службы оборудования. Применение современных методов компенсации реактивной мощности дает значительный экономический эффект для крупных потребителей электроэнергии.

О природе реактивной энергии / Хабр

Вокруг реактивной энергии сложилось немало легенд, активно способствовала развитию околонаучного фольклора любовь нашего человека к халяве и разнообразным теориям глобального заговора.

В рунете можно найти множество success story о том как простой мужичок из глубинки годами эксплуатирует халявную реактивную энергию (которую бытовой счетчик электроэнергии не регистрирует) и живет себе, не зная бед. Так же можно найти заметки людей, призывающих бросить бесполезное занятие поиска источника халявы в халявной реактивной энергии. Для того чтобы окончательно раставить точки над ‘i’ в этом вопросе, я решил написать этот пост, не мудрствуя лукаво.

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

1. Активной энергии
2. Реактивной энергии

1. Активная энергия — та часть потребляемой энергии, которая целиком и безвозвратно преобразуется приемником в другие виды энергии.

Пример: Протекая через резистор, ток совершает активную работу, что выражается в увеличении тепловой энергии резистора. Вне зависимости от фазы протекающего тока, резистор преобразует его энергию в тепловую. Резистору не важно в каком направлении течет по нему ток, важна лишь его величина: чем он больше, тем больше тепла высвободится на резисторе (

количество выделенного тепла равно произведению квадрата тока и сопротивления резистора).

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

Пример: Представим себе, что к источнику переменного тока подключен конденсатор. Начальный заряд на обкладках конденсатора равен нулю, начальная фаза напряжения источника так же равна нулю. Одно полное колебание состоит из четырех четвертьпериодов:

1. Напряжение источника растет от 0 до максимального мгновенного значения (при действующем значении U источника 230V оно равно 230 * 1,4142 = 325V) При этом конденсатор потребляет ток
   , необходимый для его полного заряда
2. Напряжение источника стремительно уменьшается (движется к нулю), при этом, напряжение на заряженном конденсаторе оказывается выше чем на источнике, что вызывает течение тока в обратную сторону (ведь ток течет от большего потенциала к меньшему), то есть конденсатор разряжается, отдавая накопленную энергию обратно источнику!
3. Для следующих двух четвертьпериодов вышеописанная история повторяется с тем лишь различием, что токи заряда и разряда емкости потекут в противоположных направлениях.

   В случае включения вместо конденсатора катушки индуктивности, суть процесса не изменится.

   В этом и состоит главный фокус реактивной энергии — в момент ‘прилива’ мы заполняем свои цистерны, в момент отлива же, мы сливаем их содержимое обратно. Как можно заметить из этой простой аналогии, мы просто туда-сюда переливаем жидкость

   (или ток в электроцепях). Если же мы соблазнимся слить хоть немного жидкости ‘налево’ (включить последовательно с реактивным конденсатором активный резистор), то мы станем брать ‘несколько больше’ чем возвращать, а это ‘несколько больше’ уже является активной энергией по определению (ведь мы эту часть не возвращаем обратно, не так ли?), за которую как известно, приходится платить.

   Или иной пример: предположим, что мы берем у кредитора некоторую сумму денег взаймы и сразу же возвращаем ему взятый только что кредит. Если мы отдадим ровно столько, сколько взяли (чистая реактивность) — мы придем к исходному состоянию и никто никому не будет ничего должен. В случае же, если мы потратим часть кредита на какую ни будь покупку и вернем то, что осталось от кредита после совершения покупки (добавим в цепь активную нагрузку и часть энергии уйдет из системы)

   — мы будем все еще должны. Эта потраченная часть является активной составляющей взятого нами кредита.

   Теперь у вас может возникнуть один весьма резонный вопрос — если все так просто, и для того чтобы энергия считалась реактивной, ее просто нужно полностью вернуть обратно источнику, почему предприятия вынуждены платить за потребляемую (и полностью возвращаемую) реактивную энергию?

   Все дело в том, что в случае чисто реактивной нагрузки, момент максимально потребляемого тока (реактивного) приходится на момент минимального значения напряжения, и наоборот, в момент максимума напряжения на клеммах нагрузки, протекающий через нее ток равен нулю.

   Протекающий реактивный ток греет питающие проводники — но это активные потери, вызванные протеканием реактивного тока по проводникам с ограниченной проводимостью, что эквивалентно последовательно включенным с реактивной нагрузкой активным резистором.

   Так же, поскольку в момент максимума реактивного тока напряжение на полюсах реактивного элемента переходит через ноль, активная мощность подводимая к нему в этот момент (произведение тока и напряжения) равна нулю. Вывод — реактивный ток вызывает нагрев проводов, не совершая при этом никакой полезной работы. Следует заметить, что эти потери так-же является активными и будут засчитываться бытовым счетчиком активной энергии.

   Большие предприятия сопсобны генерировать достаточно большие реактивные токи, которые отрицательно сказываются на функционировании энергосистемы. По этой причине, для них проводится учет как активной, так и реактивной составляющей потребленной энергии. Для уменьшения генерации реактивных токов (вызывающих вполне реальные активные потери), на предприятиях размещают установки компенсации реактивной мощности.

Базові відомості про активної і реактивної електроенергії (потужності). Статті компанії «ЕлМісто»

Досить часто багато клієнти просять пояснити поняття активної та реактивної електроенергії. Використовуючи терміни АКТИВНА і РЕАКТИВНА, більш коректно їх поєднувати зі словом потужність, хоча ряд видань використовує «електроенергія» в якості другого слова в словосполученні. Пропонуємо розібратися в даній ситуації.
Звернемося до основ електротехніки, описаним у книзі Безсонова Л. А. «Теоретичні основи електротехніки» — М: Вища школа, 1984:

Немає активної електроенергії. Є активна потужність.
Немає реактивної електроенергії. Є реактивна потужність.
 
Активна — це нагрівання резисторів.
Реактивна — коливання струму і напруги в ємностях і індуктивностях.
 
Як правило, споживачі (нагрівальні прилади, лампи розжарювання і т. д.) використовують тільки активну потужність, тому її має бути більше. Тим не менш, є прилади і з реактивною потужністю (двигуни, печі тощо). Тому на виробництві, як правило, застосовуються електролічильники, враховують як активну, так і реактивну складову повної потужності, напр. електролічильники Енергоміра СЕ302 S33 543 380V 5(10)A.

Іншими словами, якщо в ланцюзі струм співпадає з напругою, то це так звана АКТИВНА ПОТУЖНІСТЬ ( не електроенергія, такого поняття немає) . Якщо струм по фазі випереджає напругу або відстає від нього — це РЕАКТИВНА ПОТУЖНІСТЬ і вона не виробляє корисну роботу.
Косинус кута різниці фаз струму і напруги і є цей незрозумілий для споживачів косинус фі. Чим він менше, тим більше різниця фаз між струмом і напругою і тим менше буде вироблено корисної роботи електричним струмом. Чим ближче він до одиниці, тим більша частка корисної, активної потужності. А боротися з марними індуктивними струмами зазвичай намагаються, включаючи у схему додатковий конденсатор.Так що беріть кліщі, вимірюйте реактивку, якщо менше 0,9, ставте кондери відповідного номіналу і буде вам щастя! Бо зменшуючи реактив, ви зменшуєте і актив, це факт. Электрочетчик це теж покаже.

Поняття активної потужності можна пояснити, використовуючи просту аналогію. Розглянемо будівельну тачку, показану на малюнку.

Для того, щоб зрушити машину з місця, очевидно, що необхідно застосувати силу до ручки. (направити силу на ручку).

Але сила застосовується в прямому напрямку тільки коли ми піднімемо тачку. В іншому випадку виникає перешкода для руху у вигляді підніжки (підставки) тачки.

Активна енергія – це те, що є результатом активної роботи, тобто просування тачки в прямому напрямку. Отже, активна енергія – це тільки зусилля, що прикладається до машини, щоб змусити її рухатися і таким чином виконувати реальну, тобто, корисну роботу.

Реактивної енергією можна вважати ту, яка допомагає тримати тачку піднятою.

Повна потужність (підняття (активна потужність) плюс штовхання (реактивна потужність)) — те, що в результаті застосовується до ручки тачки.

Лічильник реактивної енергії — це швидше всього, прилад невідомий нашим звичайним (домашнім) споживачам, які повсюдно використовують для розрахунків з енергопостачальною компанією лічильники активної енергії. Домашній користувач, таким чином, знаходиться в зручному положенні — платить тільки за корисну енергію і не повинен цікавитися який коефіцієнт потужності в його встановленні.

А ось промислові споживачі — на відміну від першої групи — зобов’язані, на підставі підписаних договорів і часто під загрозою фінансових штрафів, підтримувати коефіцієнт потужності на належному рівні. Коефіцієнт tgφ глибоко укорінився в енергетичному законодавстві та його визначають як результат відношення реактивної потужності до активної потужності в даний розрахунковий період. Якщо повернутися на деякий час до трикутника потужності в синусоїдальних системах, то ми помітимо, що тангенс кута зсуву фаз між струмом і напругою дорівнює відношенню реактивної потужності Q до активної потужності P. Таким чином, критерій утримання tgφ нижче 0,4 не означає нічого іншого, як тільки визначення, що максимальний рівень підрахованою реактивної енергії не може бути вище, ніж 0,4 від значення отриманої активної енергії. Будь-споживання реактивної енергії вище домовленості підлягає додатковій оплаті.

Додатково про реактивної потужності можна почитати в наших статтях тут і тут

Активная, реактивная и кажущаяся мощность

Различные формы электрической мощности-

Активная мощность, реактивная мощность и кажущаяся мощность представляют собой различные формы электрической мощности, и они проявляются, когда электрическая мощность подается на индуктивную нагрузку. Происходит это из-за коэффициента мощности .

Сначала давайте разберемся в значении этих различных мощностей –

Активная мощность – Активная мощность – это мощность, которая фактически используется нагрузкой. Обозначается цифрой Вт или кВт.

Реактивная мощность – Реактивная мощность – это мощность, которая не используется (или теряется) нагрузкой, но добавляется к мощности, потребляемой нагрузкой. Обозначается ВАр или КВАр.

Полная мощность – Полная мощность – это мощность, подаваемая на нагрузку, которая включает как активную, так и реактивную мощность. Обозначается ВА или кВА.

На картинке выше изображен стакан жидкости с пеной (это может быть любой холодный напиток), где жидкость является основным напитком, который следует употреблять, а пена не является фактическим напитком, но она занимает место и образует стакан полный. Теперь, если мы сравним его с мощностью, подаваемой на индуктивную нагрузку, где жидкость представляет собой активную мощность, пена представляет собой реактивную мощность, а полное стекло (жидкость + пена) представляет собой полную мощность.

Следовательно, с точки зрения электрической мощности, мы можем сказать, что реактивная мощность – это потеря мощности, которая не используется нагрузкой, но является частью полной мощности (полной мощности), подаваемой на нагрузку. Поэтому очень важно избегать реактивной мощности в системе. Но при индуктивных нагрузках это практически невозможно, поэтому можно было бы избежать реактивной мощности, улучшив коэффициент мощности.

Технически это можно объяснить с помощью векторной диаграммы, приведенной ниже. Существует соотношение между активной, реактивной и полной мощностью, которое приведено ниже –

Примечание – Для опережающего тока треугольник мощности становится обратным. Эта характеристика тока помогает улучшить коэффициент мощности. Когда устройство с опережающим коэффициентом мощности подключается параллельно с нагрузкой, отстающий коэффициент мощности частично нейтрализуется, таким образом, коэффициент мощности улучшается.

Активная, реактивная и полная мощность в цепях переменного и постоянного тока –

Мощность в цепи постоянного тока –

В цепи постоянного тока существует только один тип мощности, используемой нагрузкой: есть нет понятия коэффициента мощности (или разности фаз между напряжением и током). Мощность в цепи постоянного тока указана ниже-

P = V * I (где P = активная/реальная мощность, V = напряжение, I = ток). Мощность измеряется в ваттах (или Вт)

Мощность в цепи переменного тока –

В цепи переменного тока из-за коэффициента мощности – учитываются активная мощность, реактивная мощность, полная мощность.

Активная мощность –

P = V * I Cos Ø …… Однофазная мощность

P = Г3 * 9 0003 В * I Cos Ø ……Трехфазное питание

(где P = активная/реальная мощность, V = линейное напряжение, I = линейный ток, CosØ = коэффициент мощности). Мощность измеряется в ваттах (или Вт)

Реактивная мощность –

Q = В * I Sin Ø ……Однофазная мощность

Q = 9000 3 Г3 * В * I Син Ø ……Трехфазная мощность

(где Q = реактивная мощность, V = линейное напряжение, I = линейный ток, SineØ = разность фаз между напряжением и током). Мощность измеряется в ВАр (или реактивных вольт-амперах)

Полная мощность –

Полная мощность (включая активную и реактивную мощность), формула которой приведена ниже –

S = V * I …………. . Однофазная мощность

S =   Г3 * В * I  ………. Трехфазная мощность

(где S = полная мощность, V = линейное напряжение, I = линейный ток. Мощность измеряется в ВА (или вольтамперах).

Часто задаваемые вопросы (FAQ) по активной мощности, реактивной мощности и полная мощность –

В1) В чем разница между активной и реактивной мощностью?

Ответ) Активная мощность — это мощность, которая фактически используется нагрузкой, а реактивная мощность — это мощность, которая не используется нагрузкой (не используется нагрузкой из-за индуктивной нагрузки).

Q2) Какие альтернативные слова используются для реактивной мощности?

Ответ) Альтернативные слова реактивной мощности: безваттная мощность, отработанная мощность, бесполезная мощность.

Q3) Какие альтернативные слова используются для активной мощности?

Ответ) Альтернативные слова реактивной мощности: Реальная мощность, Реальная мощность, Полная мощность в ваттах, Полная мощность.

Узнайте, как измерять активную и реактивную мощность

Определение электрической мощности можно определить как скорость, с которой энергия потребляется в цепи. Любое электрическое или электронное устройство имеет ограничение на количество электроэнергии, с которой можно безопасно обращаться. Мощность измеряется в ваттах. В цепях постоянного тока и чистых цепях переменного тока без каких-либо нелинейных компонентов формы сигналов тока и напряжения находятся «в фазе».

Таким образом, мощность в любой момент времени в этой цепи получается путем умножения напряжения и тока. В цепи постоянного тока мощность может быть рассчитана как произведение постоянного напряжения на постоянный ток. Однако для цепей переменного тока с реактивными составляющими расчет потребляемой мощности приходится производить по-другому.

Реактивные компоненты в силовой цепи переменного тока

Цепи переменного тока содержат комбинацию резистивных, индуктивных и емкостных элементов. Эти элементы вызывают фазовый сдвиг между электрическими параметрами, такими как напряжение и ток. Из-за поведения напряжения и тока, особенно при воздействии этих компонентов, величина мощности принимает различные формы. В цепях постоянного тока и чистых цепях переменного тока без каких-либо нелинейных компонентов формы сигналов тока и напряжения находятся «в фазе». Рассмотрим приведенную ниже схему, в которой питание переменного тока подается на нагрузку.

 

 

 

Вход переменного тока будет изменять свою величину в каждый момент времени. Таким образом, найти мощность, как в цепи постоянного тока, непросто. Здесь мы рассматриваем мгновенное напряжение, которое задается как v = Vm sin ωt и i = Im sin ωt.

Мощность в любой момент времени в этой цепи получается путем умножения напряжения и тока. Если учесть среднеквадратичное значение напряжения и тока,

v = Vm sin ωt

ωt ± ϕ)

= VI (cos ϕ – cos (2ωt ± ϕ)

=VI( cos ϕ-cos2ωt -sinϕsin2ωt )

p = VI cos ϕ (1 – cos 2wt) ± VI sin ϕ sin2wt

 

Мы знаем, что если сигнал «сдвинут» вправо или влево от 0o по сравнению с другим синусоидальная волна, выражение для этой формы волны принимает вид Am sin(ωt ± Φ), но если форма волны пересекает горизонтальные нулевые оси с положительным наклоном 90o или π/2 радиан перед эталонным сигналом, сигнал называется косинусоидальным сигналом, и выражение принимает следующий вид: 005

 

 

Приведенное выше уравнение мощности состоит из двух членов, а именно

• Член, пропорциональный VI cos ϕ, который пульсирует вокруг среднего значения VI cos ϕ
• Член, пропорциональный VI sin ϕ, пульсирующий с удвоенной частотой питания, дающий в среднем нулевое значение за цикл.

Формы мощности в цепях переменного тока

Итак, в цепях переменного тока есть 3 формы мощности. Это

1. Активная сила или Истинная сила или Реальная сила
2. Реактивная мощность
3. Полная мощность

Мощность, потребляемая в цепи переменного тока, называется реальной мощностью/активной мощностью (P) или реальной мощностью. Фактическое количество мощности, совершающей полезную работу в цепи. Измеряется в киловаттах (кВт) или МВт.

Мы знаем, что реактивные нагрузки, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, рассеивают нулевую мощность, но тот факт, что они падают по напряжению и потребляют ток, создает обманчивое впечатление, что они рассеивают мощность.

Реактивная мощность (Q) (иногда называемая безваттной мощностью) — это мощность, потребляемая в цепи переменного тока, которая не выполняет никакой полезной работы, но оказывает большое влияние на фазовый сдвиг между осциллограммами напряжения и тока. Реактивная мощность связана с реактивным сопротивлением, создаваемым катушками индуктивности и конденсаторами, и противодействует действию реальной мощности.

Произведение среднеквадратичного значения напряжения V, приложенного к цепи переменного тока, и среднеквадратичного значения тока, втекающего в эту цепь, называется «произведением вольт-ампер» (ВА) с обозначением S, величина которого обычно известна как кажущаяся мощность. Это векторная сумма P и Q, выраженная в вольт-амперах (ВА). Это сложная сила, представленная треугольником силы.

 

 

Реактивная мощность оказывает отражающее воздействие на безопасность энергосистем, поскольку влияет на напряжения во всей системе. Поскольку реактивная мощность движется вперед и назад по линии (линии электропередачи или любому другому проводнику), она действует как дополнительная нагрузка. Таким образом, реактивная мощность учитывается, когда мы рассматриваем общую мощность любых электрических систем (кабели, распределительные устройства, трансформаторы и т. д.)

Это означает, что все установки должны быть рассчитаны на полную мощность, учитывающую как активную, так и реактивную мощность. Если реактивная мощность существует в избыточном количестве, это значительно уменьшит мощность

коэффициент системы. Таким образом, снижение коэффициента мощности может привести к снижению эффективности работы. Это приводит к нежелательным падениям напряжения, высоким потерям проводимости, избыточному нагреву и более высоким эксплуатационным расходам.

 

Модель Simulink для нахождения активной и реактивной мощности

Вот простая модель Simulink для нахождения активной и реактивной мощности цепи нагрузки RL.

 

 

Нагрузка считается нагрузкой RL, чтобы показать разницу в формах напряжения и тока. Если нагрузка считается резистивной, кривые напряжения и тока будут совпадать по фазе, и вся мощность будет рассеиваться резистором.

Входное напряжение = 100 В

Сопротивление = 1 Ом

Индуктивность 1 мГн

Блок измерения напряжения и тока приведен в схеме для измерения напряжения нагрузки и входного тока. Блок RMS предназначен для проверки среднеквадратичного значения сигнала переменного тока в цепи. Мультиметр измеряет ток ответвления через нагрузку RL.

 

 

Нам нужно эффективное значение величин переменного тока для лучшего расчета. Среднеквадратичное значение — это действующее значение переменного напряжения или тока. Это эквивалентное устойчивое значение постоянного тока (постоянное), которое дает тот же эффект. Здесь измеренный входной ток составляет около 28,5 А

 

 

Активная мощность рассчитывается с использованием блока измерения мощности путем предоставления выходного напряжения и тока, измеренных в цепи. Здесь она равна 4556 Вт.

 

 

На приведенном ниже рисунке показан результирующий график из области действия 1 (отмечено желтым цветом)

Отчетливо видно, что напряжение и ток не совпадают по фазе. Красная кривая представляет собой напряжение, а зеленая — ток. Поскольку это цепь RL, ток отстает.