Что такое реактивный ток. Реактивный ток: теория и практика компенсации реактивной мощности

Что такое реактивный ток двигателя и как он влияет на энергоэффективность. Как работает компенсация реактивной мощности. Какие методы используются для уменьшения реактивной составляющей тока. Почему важно компенсировать реактивную мощность в электросетях.

Что такое реактивный ток и реактивная мощность

Реактивный ток — это составляющая переменного тока, которая не совершает полезной работы, а лишь циркулирует между источником и потребителем электроэнергии. Он возникает из-за наличия в электрической цепи реактивных элементов — катушек индуктивности и конденсаторов.

Реактивная мощность характеризует скорость обмена энергией между источником и магнитным полем катушки или электрическим полем конденсатора. В отличие от активной мощности, реактивная не преобразуется в другие виды энергии, а лишь перекачивается туда-обратно по сети.

Причины возникновения реактивного тока

Основные причины появления реактивного тока в электрических сетях:

• Наличие индуктивной нагрузки (электродвигатели, трансформаторы)
• Емкостная нагрузка (конденсаторы, длинные кабельные линии)
• Нелинейная нагрузка (выпрямители, сварочные аппараты)

Наиболее существенный вклад в реактивный ток вносят асинхронные электродвигатели, которые широко применяются в промышленности. Их обмотки обладают значительной индуктивностью.

Влияние реактивного тока на энергоэффективность

Циркуляция реактивного тока по сети приводит к ряду негативных последствий:

• Увеличение потерь в линиях электропередачи и трансформаторах
• Снижение пропускной способности сетей
• Ухудшение качества напряжения у потребителей
• Необходимость завышения мощности генерирующего и распределительного оборудования

Все это в конечном итоге приводит к повышению расхода электроэнергии и увеличению затрат на ее передачу и распределение. Поэтому важно минимизировать реактивную составляющую тока в сетях.

Методы компенсации реактивной мощности

Для уменьшения циркуляции реактивной мощности в сетях применяются различные методы компенсации:

• Установка конденсаторных батарей
• Применение синхронных компенсаторов
• Использование активных фильтров
• Оптимизация режимов работы электродвигателей

Наиболее распространенным и экономичным способом является установка конденсаторных батарей. Они генерируют реактивную мощность, компенсируя индуктивную составляющую нагрузки.

Принцип работы конденсаторных установок

Конденсаторная установка компенсации реактивной мощности работает следующим образом:

1. Измеряется текущее значение коэффициента мощности в сети
2. При снижении cosφ ниже заданного уровня автоматически подключаются конденсаторные ступени
3. Емкостной ток конденсаторов компенсирует индуктивный ток нагрузки
4. Результирующий ток в сети уменьшается, cosφ повышается
5. При изменении нагрузки происходит подключение/отключение ступеней для поддержания оптимального cosφ

Таким образом достигается снижение потребления реактивной мощности из сети и повышение коэффициента мощности.

Эффективность компенсации реактивной мощности

Внедрение компенсирующих устройств позволяет получить следующие преимущества:

• Снижение потерь электроэнергии в сетях на 10-20%
• Увеличение пропускной способности линий и трансформаторов
• Улучшение качества напряжения у потребителей
• Разгрузка питающих линий и подстанций
• Снижение счетов за электроэнергию

Срок окупаемости установок компенсации обычно составляет 1-2 года. При этом они имеют длительный срок службы — до 20-25 лет.

Особенности выбора и эксплуатации компенсирующих устройств

При внедрении систем компенсации реактивной мощности необходимо учитывать следующие факторы:

• Характер и режим работы нагрузки
• Наличие высших гармоник в сети
• Требуемый диапазон регулирования
• Место установки (распределительное устройство, КТП, отдельное помещение)
• Условия эксплуатации (температура, запыленность и т.д.)

Важно правильно выбрать мощность и конфигурацию установки, а также обеспечить ее регулярное обслуживание для надежной работы.

Заключение

Компенсация реактивной мощности — эффективный способ повышения энергоэффективности электрических сетей. Снижение реактивных токов позволяет уменьшить потери, повысить качество электроэнергии и оптимизировать работу электрооборудования. При грамотном внедрении компенсирующие устройства окупаются за короткий срок и дают значительный экономический эффект.

Что такое реактивная энергия или реактивная мощность?

Когда речь идет об электрических приборах, чаще всего интересуются их электрической мощностью. При этом считается, что чем больше эта мощность, обычно указываемая в документации, приложенной к электроизделию, тем большую полезную работу можно получить от этого изделия.

Электроприборы представляют собой нагрузку, которая для переменного тока имеет разную величину. Так все нагревательные приборы: лампы накаливания, ТЭНы в утюгах, электрических плитах, электрочайниках, стиральных машинах, электрообогревателях и т. п., это активные нагрузки. Все виды трансформаторов, стабилизаторов, электродвигателей – в стиральных машинах, кондиционерах, вентиляторах, отопительных приборах, электроинструменте, насосах для полива и для отопления, газонокосилках, измельчителях веток (шредерах ) и мн. др. – это нагрузки активно-индуктивные. Люминесцентные лампы и светильники, энергосберегающие компактные лампы (КЛЛ) и пр. – это активно-емкостные нагрузки.

Реактивной называется энергия возникающая при прохождении переменного электрического тока через катушку индуктивности (образуется магнитное поле) или через конденсатор (образуется электрическое поле). Она может увеличиваться или уменьшаться. При увеличении она потребляет мощность из сети, при уменьшении – отдает обратно в сеть.

В домашней электрической сети действует переменное напряжение, величина которого 220 В, а частота 50 Гц. По форме это синусоида, которая 100 раз в секунду переходит через «0». В этот момент происходит смена направления движения тока. При подключении этого напряжения к нагрузке, которая имеет только активную составляющую, ток в цепи по фазе (по моменту действия) полностью совпадает с напряжением. Т. е. при нарастании тока идет нарастание напряжения, при спаде напряжения спадает и ток, при переходе напряжения через «0» ток в это же мгновение тоже переходит через «0». Если нагрузка имеет индуктивную составляющую, то ток начинает отставать от напряжения. Напряжение растет, перейдя через «0», а ток еще может даже не дошел до «0», напряжение уже начало уменьшаться после максимума, а ток опаздывает, т. к. он еще увеличивается. И чем больше индуктивность обмотки двигателя или трансформатора, тем больше это расхождение по фазе. При активной составляющей нагрузки близкой или равной «0» (когда трансформатор включен в сеть, а нагрузки на нем нет) ток запаздывает почти на 90°, т. е. на четверть периода.

В случае емкостной нагрузки процесс тот же, но только ток опережает напряжение.

Происходят эти процессы потому, что в первом случае ток, протекающий по катушке индуктивности (обмотке двигателя или трансформатора) создает каждым витком катушки магнитное поле. А т. к. ток изменяется – нарастает или спадает, то суммарное поле тоже увеличивается или уменьшается. Изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции (закону Майкла Фарадея) наводит в соседних витках той же катушки или соседней с ней, например вторичной катушке трансформатора э.д.с. самоиндукции такой же по величине, но обратной по знаку. Эта э.д.с., вызывает в своей нагрузке, которой является уже питающая сеть такой же изменяющийся ток, но обратного направления. Этот новый ток опять по тому же закону М. Фарадея образует обратное по направлению изменяющееся магнитное поле и процесс повторяется. Пока по обмотке течет переменный ток, в ней будет создаваться переменное магнитное поле. И чем больше индуктивность, тем больше поле. При выключении тока поле исчезнуть мгновенно не может, поэтому оно на контактах выключателя может образовать электрический дуговой разряд. Если его нет, то поле разряжается через маленькое активное сопротивление катушки. Т. е. когда ток увеличивается, катушка запасает энергию, а когда начинает уменьшаться – катушка отдает ее обратно в сеть. Нагрузка не включена, тока на выходе нет, а напряжение есть, и трансформатор гоняет энергию в обмотку и из обмотки. Эти токи на активном сопротивлении проводов вызывают тепловые потери. Они по величине невелики, но они есть. Похожие процессы происходят и при емкостном характере нагрузки. Отличие лишь в том, что поле не магнитное, а электрическое.

Таким образом, работы нет, а потери присутствуют.

Те же процессы происходят и при включении нагрузки. Но на фоне больших рабочих токов, протекающих при этом, реактивные токи мало заметны.

Уменьшить эти токи можно подключением к индуктивным цепям конденсаторов, а к емкостным, соответственно, индуктивностей. Это называется компенсированием реактивных составляющих.

Оценить реактивную составляющую можно по Км – коэффициенту мощности или по cos φ. При этом cos φ = Р/S, где:

• Р – активная мощность, обеспечивающая рабочие характеристики;
• S – полная мощность, потребляемая устройством.

При cos φ = 1 – вся мощность устройства активная, при меньших значениях – появляется реактивная составляющая. Мощность потребляемая растет, а работа остается та же.

Например, если на дрели и вентиляторе написано, что его мощность 600 Вт, а cos φ = 0,75, то их реальная мощность, потребляемая из сети будет равна 800 Вт, а работу они сделают на 600 Вт.

Меры по компенсации реактивной мощности

Правильная компенсация реактивной мощности дает возможность уменьшить мощность, передаваемую по кабельным и проводным сетям предприятия. Это позволяет снизить расход до 10-20 %, а в тех случаях, когда cos φ = 0,5 и даже менее его, результат может быть до 1/3.Предприятия с большим количеством мощных недогруженных электродвигателей должны компенсировать их реактивную мощность.

Небольшие организации, офисы, торговые предприятия могут иметь большую реактивную составляющую за счет люминесцентных источников освещения, двигателей вентиляции приточной и вытяжной, кондиционеров, приводов теплоснабжения и водоснабжения и другой нелинейной нагрузки. К такой нагрузке могут относиться тиристорные и симисторные регуляторы систем освещения, импульсные блоки питания и мн. др. Все эти виды потребителей электроэнергии используют в своей работе импульсный режим, при этом этот режим часто сопровождается крутыми передними и задними фронтами импульсов (нарастанием и спаданием тока и напряжения). Специалисты эти фронты называют передним и задним. И чем меньше длительность переднего и заднего фронтов, тем больше в питающую сеть переменного тока проникает гармоник (напряжений удвоенной, утроенной и т. д. частоты) основного напряжения, тем меньше cos φ.

Поэтому передовые производители современных компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) заботятся об энергетической эффективности не только самой лампы, но и всей электрической сети, используемой для их питания. Для этого они, незначительно усложнив схему их питания, получают коэффициент мощности, равный 0,92 – 0,97. В то же время простые КЛЛ имеют его значительно меньшей величины, а обычные традиционные люминесцентные «трубки» с электромагнитным пуско-регулирующим аппаратом имеют коэффициент мощности вообще равный 0,5.

Поэтому, выбирая для своей квартиры или офиса малогабаритные энергосберегающие высокоэффективные источники света в виде КЛЛ, обязательно интересуйтесь таким их параметром, как коэффициент мощности. И если он не указан в параметрах продаваемой лампы, то лучше отказаться от такой покупки.

Предлагаем приобрести качественные энергосберегающие лампы:

Наименование: Лампа светодиодная стандартная B60 PA-10 10W E27 4000K алюмопл. корп. 18-0007
Тип лампы: Стандартная
Артикул: 18-0007
Мощность (W): 10
Тип цоколя: E27
Cветовой поток (lm): 806
Световая эффективность (lum/W): 81
Ширина B (мм): 60
Высота A (мм): 110
Температура (К): 4000
Тип света: нейтральный свет
Напряжение (V): 175-250
Ресурс , часов: 25000
Срок службы, лет: 17
Индекс цветопередачи (Ra): 80
Аналог лампы накаливания (W): 75Вт
Частота электросети (Hz): 50
Температурный режим (град): -20С +40°C
Количество в ящике, шт: 50
Содержание ртути (мг): 0
Класс энергосбережения: A
Штрих код упаковки: 4895127204464
Тип колбы: Стандартная
Цвет стекла: Опаловый
Угол рассеивания град: 220
Производитель: ELM
Гарантия: 2 года

(Код: 18-0007)

Тип лампы: Стандартная
Мощность (W): 10
Температура (K): 4000
Тип цоколя: E27

Наименование: Лампа светодиодная стандартная LS-V10 10W E27 4000K алюмопл. корп. A-LS-1520
Артикул: A-LS-1520
Мощность: 10
Световой поток: 900
Тип лампы: Стандартная
Напряжение (V): 220
Цветовая температура К: 4000
Тип цоколя: E27
Группа: Лампы
Подгруппа: Лампы светодиодные (LED)
Модель: ls-V10
Тип колбы: Стандартная
Цвет стекла: Опаловый
Тип светодиода: SMD
Угол рассеивания, (C): 270
Ресурс часов: 25000
A mm: 110
B mm: 60
Штрих код упаковки: 4895127217815
Количество в упаковке шт.: 50
Производитель: Electrum

(Код: A-LS-1520)

Наименование: Лампа светодиодная стандартная LS-V10 10W E27 4000K алюмопл. корп. A-LS-1520
Артикул: A-LS-1520
Мощность: 10
Тип цоколя: E27

Наименование: Комплект ламп светодиодных стандартных B60 PA10L 10W E27 4000K алюмопл. корп. 3шт. 18-0150
Артикул: 18-0150
Мощность: 10
Световой поток: 806
Тип лампы: Стандартная
Напряжение (V): 220
Цветовая температура К: 4000
Тип цоколя: E27
Группа: Лампы
Подгруппа: Лампы светодиодные (LED)
Модель: PA10L
Тип колбы: Стандартная
Цвет стекла: Опаловый
Тип светодиода: SMD
Угол рассеивания, (C): 250
Ресурс часов: 20000
A mm: 109
B mm: 60
Штрих код упаковки: 4895127200930
Количество в упаковке шт.: 50
Производитель: ELM

(Код: 18-0150)

Наименование: Комплект ламп светодиодных стандартных B60 PA10L 10W E27 4000K алюмопл. корп. 3шт. 18-0150
Артикул: 18-0150
Мощность: 10
Тип цоколя: E27

Наименование: Лампа светодиодная стандартная A60 LS-33 Elegant 10W E27 Ra90 4000K алюмопл. корп. A-LS-1912
Артикул: A-LS-1912
Мощность: 10
Световой поток: 850
Цветовая температура: 4000
Тип лампы: Стандартная
Тип цоколя: E27
Напряжение (V): 220
Ресурс часов: 25000
A mm: 111
B mm: 60
Модель: LS-33 Elegant
Тип светодиода: SMD Samsung
Количество в ящике (шт): 50
Угол рассеивания, (C): 270
Производитель: Electrum

(Код: A-LS-1912)

Наименование: Лампа светодиодная стандартная A60 LS-33 Elegant 10W E27 Ra90 4000K алюмопл. корп. A-LS-1912
Артикул: A-LS-1912
Мощность: 10
Световой поток: 850

Что такое реактивный ток двигателя

Физика процесса и практика применения установок компенсации реактивной мощности

Чтобы разобраться с понятием реактивной мощности, вспомним сначала, что такое электрическая мощность. Электрическая мощность – это физическая величина, характеризующая скорость генерации, передачи или потребления электрической энергии в единицу времени.

Чем больше мощность, тем большую работу может совершить электроустановка в единицу времени. Измеряется мощность в ваттах (произведение Вольт х Ампер). Мгновенная мощность – это произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-то участке электрической цепи.

Физика процесса

В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за какой-то промежуток времени совпадают, а понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока так происходит только в том случае, если нагрузка чисто активная. Это, например, электронагреватель или лампа накаливания. При такой нагрузке в цепи переменного тока фаза напряжения и фаза тока совпадают и вся мощность передается в нагрузку.

Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели), то ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).

Активная и реактивная мощности

Часть полной мощности, которую удалось передать в нагрузку за период переменного тока, называется активной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус угла сдвига фаз между ними (cos φ ).

Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin φ).

Таким образом, реактивная мощность является величиной характеризующей нагрузку. Она измеряется в вольт амперах реактивных (вар, var). На практике чаще встречается понятие косинус фи, как величины характеризующей качество электроустановке с точки зрения экономии электроэнергии.

Действительно, чем выше cos φ, тем больше энергии, подаваемой от источника, попадает в нагрузку. Значит можно использовать менее мощный источник и меньше энергии пропадает зря.

Реактивная мощность бытовых потребителей

Итак, потребители переменного тока имеют такой параметр, как коэффициент мощности cosφ.

На графике ток сдвинут на 90° (для наглядности), то есть на четверть периода. Например, электрооборудование имеет cosφ = 0,8, что соответствует углу arccos 0,8 ≈ 36.8°. Этот сдвиг происходит из-за наличия в потребителе электроэнергии нелинейных компонентов – ёмкостей и индуктивностей (например, обмотки электродвигателей, трансформаторов и электромагнитов).

Для дальнейшего понимания происходящего требуется учет того факта, что, чем выше коэффициент мощности (максимум 1), тем более эффективно потребитель использует получаемую из сети электроэнергию (то есть большее количество энергии преобразуется в полезную работу) – такую нагрузку называют резистивной.

При резистивной нагрузке ток в цепи совпадает с напряжением. А при низком коэффициенте мощности нагрузку называют реактивной, то есть часть потребляемой мощности не совершает полезной работы.

Таблица ниже демонстрирует классификацию потребителей по коэффициенту мощности.

Классификация потребителей переменного тока

Следующая таблица демонстрирует коэффициент мощности распространённых в быту потребителей электроэнергии.

Коэффициент мощности бытовых электроприборов

Юмор электрика

Что такое реактивная мощность? Все очень просто!

Способы компенсации реактивной мощности

Из сказанного выше вытекает, если нагрузка индуктивная, то следует компенсировать ее с помощью емкостей (конденсаторов) и наоборот емкостную нагрузку компенсируют с помощью индуктивностей (дросселей и реакторов). Это помогает увеличить косинус фи (cos φ) до приемлемых значений 0.7-0.9. Этот процесс называется компенсацией реактивной мощности.

Экономический эффект от компенсации реактивной мощности

Экономический эффект от внедрения установок компенсации реактивной мощности может быть очень большим. По статистике он составляет от 12 до 50% от оплаты электроэнергии в различных регионах России. Установка компенсации реактивной мощности окупается не более чем за год.

Для проектируемых объектов внедрение конденсаторной установки на этапе разработки позволяет экономить на стоимости кабельных линий за счет снижения их сечения. Автоматическая конденсаторная установка, например, может поднять cos φ с 0.6 до 0.97.

Выводы

Итак, установки по компенсации реактивной мощности приносят ощутимые финансовые выгоды. Они также позволяют дольше сохранять оборудование в рабочем состоянии.

Вот несколько причин, по которым это происходит.

1. Уменьшение нагрузки на силовые трансформаторы, увеличение в связи с этим срока их службы.

2. Уменьшение нагрузки на провода и кабели, возможность использования кабелей меньшего сечения.

3. Улучшение качества электроэнергии у электроприемников.

4. Ликвидация возможности штрафов за снижение cos φ.

5. Уменьшение уровня высших гармоник в сети.

6. Снижение уровня потребления электроэнергии.

Источник

Реактивная мощность на ощупь, простым языком, без графиков

Сегодня я постараюсь объяснить простым языком, что же такое реактивная мощность электрической энергии.

Активная мощность

Для начала, расскажу про наиболее привычную нам активную мощность, за которую мы, собственно, и платим по счётчику. Эта мощность, потребляемая нагрузкой типа обычного сопротивления. Как правило, это все нагревательные приборы (бойлеры, обычные электроплитки, электро калориферы и т.п.). Потребляемая мощность этих приборов полностью активная. В этих приборах электрическая энергия безвозвратно и полностью преобразуется в другой вид энергии (тепловую и другие).

Активная мощность обозначается буквой P и измеряется в ваттах (Вт).

Величина активной мощности, потребляемой такими приборами считается просто — умножением напряжения в розетке на ток, протекающей в цепи включенного нагревательного прибора:

Тут всё просто. Нагрузка пассивна, постоянна, никаких неожиданностей.

Замечу, что в цепях постоянного тока существует только активная мощность, поскольку значение мгновенной и средней мощности там совпадают.

Реактивная мощность

Если включить в сеть переменного тока не нагревательный прибор, а, например, электромагнит, то помимо активной, в цепи возникает реактивная энергия, которая с частотой переменного тока то потребляется прибором, то возвращается обратно в сеть. Эта энергия переносится от источника к электромагниту и обратно дважды за период, каждую четверть периода меняя направление.

Это происходит из-за того, что при потреблении электроэнергии, например, обмоткой магнита, каждый полупериод в нём происходит временное запасание энергии в магнитном поле катушки, и последующая отдача её назад, из-за чего происходит рассинхронизация синусоид величин напряжения и тока в сети.

Изменения тока в цепи отстаёт от соответствующих синусоидальных изменений напряжения. Такое поведение присуще любой т.н. индуктивной нагрузке (трансформаторы, электродвигатели, дроссели, электромагниты).

Помимо индуктивной нагрузки существует емкостная (различные электронные устройства с конденсаторами, как накопителями энергии, например, в импульсном блоке питания), в которой ток, наоборот, опережает напряжение за счёт временного накопления энергии конденсаторами и последующей отдачи её назад. И в том и в другом случае в цепи помимо активной возникает реактивная энергия.

Вред реактивной энергии в электроэнергетике очевиден — она никак не используется, но шляется туда-сюда по проводам, дополнительно нагружая их. Кроме того, при таком «шлянии» эта энергия ещё и частично теряется, преобразуясь в активную энергию при нагреве проводов. Однако в радиотехнике реактивная мощность может быть и полезной (например, в колебательных контурах).

Источник

Реактивная мощность — что это? Совсем просто.

В прошлой своей статье «Реактивная мощность на ощупь, простым языком, без графиков» я постарался объяснить, что такое реактивная мощность электрического тока, но, видимо, всё-таки это получилось у меня недостаточно понятно. В этой новой статье я постарался объяснить всё так просто, насколько это вообще возможно 🙂

Синусоидальность переменного напряжения

Важный аспект — напряжение у нас в сети не постоянное, как в батарейке или аккумуляторе автомобиля, а переменное. То есть, его значение в фазном проводе (относительно нулевого провода) изменяется 50 раз в секунду (50 герц) от +325 до −325 и обратно. Но изменяется оно не резко, а плавно. Физика процесса такова, что за 1/50 долю секунды оно от нуля начинает плавно возрастать, достигает +325 вольт, после чего начинает плавно снижаться, пересекает ноль, и плавно достигает −325 вольт, после чего снова начинает возрастать до нуля. Если представить это изменение графически, то получится плавная извилистая линия — синусоида.

Поскольку напряжение ±325 вольт достигается только в пиках, а в остальное время оно ниже, то нечестно будет говорить, что напряжение в сети 325 вольт. Оно ведь не всегда такое, а только в кратковременных пиках. Поэтому, если эту волну полупериода растянуть вширь до прямоугольного состояния, её верх просядет чуть ниже, сделается ровным и горизонтальным. При этом проседание верха произойдёт по т.н. среднеквадратичному закону (325 / √2 ≈ 230), и он как раз окажется на уровне привычных нам 230 вольт.

Другими словами, если бы напряжение изменялось бы не постепенно по синусоиде, а резко, ступенчато, то вершины ступенек были бы как раз на высоте 230 вольт. А так эти ступеньки в связи с техническими особенностями генерации плавно сузились к макушке, и потому, естественно, вытянулись до 325 вольт. Напряжение 230 вольт называется действующим , а 325 вольт — амплитудным .

Итак, мы поняли, что напряжение в сети постоянно изменяется по синусоиде от плюса к минусу и обратно. Но напряжение — это ещё не ток. Например, в розетке, в которую ничего не включено, напряжение есть, а тока нет. Напряжение — это всего лишь потенциал, который может быть реализован в виде тока, но только после подключения в розетку сопротивления, а может и не быть реализован, если ничего к розетке не подключить. То есть, напряжение — это как напор воды в закрытом кране. Напор есть, а вода не течёт. Чтобы вода потекла — открываем кран.

Синусоидальность тока

Если к розетке подключить сопротивление (например, лампочку или нагревательный прибор), то цепь замкнётся, и по ней потечёт ток. Мы понимаем, что чем выше будет напряжение (напор воды), тем выше будет и ток (согласно закону Ома, I = U / R) . А поскольку напряжение изменяется по синусоиде, то и ток будет изменяться тоже по синусоиде, синхронно с напряжением.

Поскольку напряжение переменное, то и ток будет переменным. Сначала он течёт в одну сторону, а когда напряжение меняет свой знак, ток течёт в другую сторону. То есть, в проводах ток постоянно дёргается в разные стороны. Впрочем, это уже детали. Нам достаточно понять, что синусоида изменения величины напряжения совершенно естественным образом синхронна по времени синусоиде изменения величины тока :

Активная мощность

Когда синусоиды напряжения и тока совпадают, то вся электрическая мощность, передаваемая напряжением и током является полезной, активной. Мощность электрического тока будет равна напряжению, умноженному на ток.

Когда синусоиды напряжения и тока не совпадают?

Индуктивное сопротивление

Если мы включим в цепь вместо лампочки или обогревателя любое индуктивное сопротивление, например, электромагнит, то увидим странную картину. Ток волшебным образом начинает отставать от напряжения! Почему такое происходит?

Электромагнит — это электрическая катушка — сердечник с намотанным на него проводом. Мы где-то когда-то давно слышали, что при протекании тока через катушку вокруг неё образуется магнитное поле. Но физика этого процесса довольно примечательна.

Сначала, когда напряжение возрастает от нуля до +325 вольт, в катушке возникает ток, порождающий электромагнитное поле, которое, в свою очередь, порождает ток, обратный идущему из сети. Катушка сопротивляется проходящему по ней току (точнее, его изменению). Это можно сравнить с инерцией. Чем быстрее мы хотим изменить скорость стального ядра, тем сильнее ядро сопротивляется этому, причём как на разгоне, так и на торможении. Итак, напряжение растёт, а рост тока начинает отставать.

Когда напряжение замирает в верхней точке +325 вольт, катушка перестаёт сопротивляться (встречный ток в ней возникает только в момент изменения проходящего по ней тока, и чем резче меняется этот ток, тем выше значение встречного тока, а если изменений нет и ток постоянен — встречный ток не возникает). Итак, напряжение в пике, и ток начинает идти свободно, возрастая до своего пика.

Когда напряжение пошло вниз, ток начинает снижаться. Но мы помним, что у катушки есть инерция! Запасённая в магнитном поле энергия начинает порождать попутный ток, который начинает помогать сетевому току. Теперь катушка сопротивляется снижению тока. В результате, напряжение падает, а ток ещё держится. Падение тока начинает отставать.

То есть, катушка при возрастании напряжения сопротивляется росту тока, а при падении напряжения пытается удержать падение тока, отдавая его в цепь. В результате синусоида тока начинает отставать от синусоиды напряжения, например, на четверть периода:

При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду какая-то часть мощности забирается катушкой из сети, накапливается в её магнитном поле, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. При этом ток по цепи проходит, но безвозвратно в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток без толку греет провода.

Емкостное сопротивление

Помимо отставания тока от напряжения существует также цепи и с опережением тока от напряжения. Для этого вместо электромагнита включаем конденсатор (конденсатор — это емкостное сопротивление). При возрастании напряжения он нуля пустой конденсатор начинает заряжаться с максимальным током, хотя напряжение ещё не достигло максимума.

По мере заряда ток снижается, и во время максимума напряжения ток уже равен нулю.

Затем напряжение начинает падать, и конденсатор под действием всё увеличивающейся разности потенциалов между своим зарядом и напряжением сети начинает разряжаться, порождая всё возрастающий ток, который не прекращается с падением напряжения до нуля, поскольку тут же начинается его заряд обратной полярностью, когда напряжение становится отрицательным. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения.

То есть, конденсатор при возрастании напряжения сначала вызывает сильный ток, который падает до нуля при максимуме напряжения, а при последующем падении напряжения начинает вызывать сначала небольшой ток, а потом всё сильнее и сильнее, который достигает максимума при отсутствии напряжения сети. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения, например, на четверть периода:

При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду мощность забирается конденсатором из сети, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. То есть, как и в случае катушки электромагнита, ток по цепи проходит, но в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток точно так же без толку греет провода.

Реактивная мощность

Вот этот самый индуктивный или емкостной ток и является реактивным, а мощность, которую он формирует, которая шляется туда-сюда, называют реактивной мощностью. Сопротивления току, которыми являются катушка или конденсатор, называют реактивными сопротивлениями.

Если в составе мощности есть реактивная составляющая (имеется сдвиг синусоид тока и напряжения), то активная мощность равна напряжению, умноженному на ток и умноженному на cos φ, где φ — это угол сдвига синусоид тока и напряжения на круговой диаграмме.

Надеюсь, теперь то уж наверняка стало всё понятно! 🙂

Ставьте лайки , если статья понравилось. Пишите комментарии.

Делитесь также этой статьёй в социальных сетях (соответствующие кнопочки рядом со статьёй в наличии) и, конечно, подписывайтесь на мой канал! Жду ваших отзывов! Удачи!

Источник

Базовые сведения об активной и реактивной электроэнергии (мощности)

Что означают эти понятия и для чего они нужны

Довольно часто многие клиенты просят пояснить понятия активной и реактивной электроэнергии. Используя термины АКТИВНАЯ и РЕАКТИВНАЯ, более корректно их сочетать со словом мощность, хотя ряд изданий использует «электроэнергия» в качестве второго слова в словосочетании. Предлагаем разобраться в данной ситуации.
Обратимся к основам электротехники, описанным в книге Бессонова Л. А. «Теоретические основы электротехники» — М: Высшая школа, 1984:

Нет активной электроэнергии. Есть активная мощность.
Нет реактивной электроэнергии. Есть реактивная мощность.
 
Активная — это нагревание резисторов. 
Реактивная — колебание тока и напряжения в ёмкостях и индуктивностях. 
 
Как правило, потребители (нагревательные приборы, лампы накаливания и т.д.) используют только активную мощность, поэтому её должно быть больше. Тем не менее, есть приборы и с реактивной мощностью (двигатели, печки и т.д.). Поэтому на производстве, как правило, применяются электросчетчики, учитывающие как активную, так и реактивную составляющую полной мощности, напр. электросчетчики Энергомера СЕ302 S33 543 380V 5(10)A.

Другими словами, если в цепи ток совпадает с напряжением, то это так называемая АКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ ( не электроэнергия, такого понятия нет) . Если ток по фазе опережает напряжение либо отстает от него — это РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ и она не производит полезную работу.
Косинус угла разности фаз тока и напряжения и есть этот непонятный для потребителей косинус фи. Чем он меньше, тем больше разность фаз между током и напряжением и тем меньше будет произведено полезной работы электрическим током. Чем ближе он к единице, тем больше доля полезной, активной мощности. А бороться с бесполезными индуктивными токами обычно пытаются, включая в схему дополнительный конденсатор.Так что берите клещи, измеряйте реактивку, если меньше 0,9, ставьте кондёры подходящего номинала и будет вам счастье! Ибо уменьшая реактив, вы уменьшаете и актив, это факт. Электрочётчик это тоже покажет.

Понятие активной мощности можно объяснить, используя простейшую аналогию. Рассмотрим строительную тачку, показанную на рисунке.

Для того, чтобы сдвинуть тачку с места, очевидно, что необходимо применить силу к ручке. (направить силу на ручку).

Но сила применима в прямом направлении только когда мы поднимем тачку. В противном случае возникает препятствие для движения в виде подножки (подставки) тачки.

Активная энергия – это то, что является результатом активной работы, т.е.продвижения тачки в прямом направлении. Следовательно, активная энергия – это только усилие, прикладываемое к тачке, чтобы заставить ее двигаться и таким образом выполнять реальную, то бишь, полезную работу.

Реактивной энергией можно считать ту, которая помогает держать тачку поднятой.

Полная мощность (поднятия (активная мощность) плюс толкания (реактивная мощность)) — то, что в итоге применяется к ручке тачки.

Счетчик реактивной энергии — это скорее всего, прибор неизвестный нашим обычным (домашним) потребителям, которые повсеместно используют для расчетов с энергопоставляющей компанией счетчики активной энергии. Домашний пользователь, таким образом, находится в удобном положении — платит только за полезную энергию и не должен интересоваться какой коэффициент мощности в его установке.

А вот промышленные потребители — в отличие от первой группы — обязаны, на основании подписанных договоров и часто под угрозой финансовых штрафов, поддерживать коэффициент мощности на должном уровне. Коэффициент tgφ глубоко укоренился в энергетическом законодательстве и его определяют как результат отношения реактивной мощности к активной мощности в данный расчетный период. Если вернуться на некоторое время к треугольнику мощности в синусоидальных системах, то мы заметим, что тангенс угла сдвига фаз между током и напряжением равен отношению реактивной мощности Q к активной мощности P. Таким образом, критерий удержания tgφ ниже 0,4 не означает ничего другого, как только определение, что максимальный уровень подсчитанной реактивной энергии не может быть выше, чем 0,4 от значения полученной активной энергии. Любое потребление реактивной энергии выше договоренности подлежит дополнительной оплате.

Дополнительно о реактивной мощности можно почитать в наших статьях здесь и здесь

Компенсация реактивной мощности как фактор энергосбережения

Как платить за электричество меньше, повысить КПД оборудования и более эффективно использовать электрическую энергию, — сегодня эти вопросы волнуют многих руководителей производственных предприятий и владельцев коммерческих объектов.

Из данной статьи вы подробнее узнаете, что такое компенсация реактивной мощности, как правильно рассчитать мощность для потребителей и подобрать оборудование, чтобы сократить потери электроэнергии до 65%.

Немного теории

Для оценки и расчетов цепей переменного тока используются действующие значения тока и напряжения.

Действующее значение переменного тока определяется как величина такого эквивалентного постоянного тока, который проходя через то же активное сопротивление, что и переменный ток, выделяет на нем за период то же количество тепла. Математически действующее значение определяется как среднеквадратичное за период.

Полная мощность вычисляется как произведение действующих значений тока и напряжения цепи.

S = U * I
В случае активной нагрузки фазы тока и напряжения совпадают и вся полная мощность выделяется на нагрузке. Расчеты для переменного тока соответствуют анализу цепей постоянного тока, только используются действующие значения тока и напряжения.

Полная мощность фактически показывает требования к электрической сети. Измеряется она в вольт-амперах (ВА).

Если в цепи переменного тока появляются реактивные элементы (индуктивные нагрузки и емкостные нагрузки) расчёты приходится корректировать. Реактивные элементы обладают способностью накапливать энергию и отдавать ее обратно в цепь. Появляется сдвиг фаз между током и напряжением и как следствие появляется реактивная мощность.

Реактивная мощность может быть, как положительной (для индуктивных цепей), так и отрицательной (для емкостной составляющей).

Реактивная мощность не выделяется на нагрузке, не создает полезной работы. Она накапливается на реактивных элементах нагрузки (конденсаторах, катушках индуктивности), а затем возвращается обратно в питающую сеть. Возвращаясь, она увеличивает текущий по проводам ток. Этот реактивный ток, присутствуя в линиях, дополнительно нагревает их. Поэтому в любой энергосистеме стремятся уменьшить реактивную мощность до минимума.

На нагрузке остается активная мощность. Она и совершает полезную работу: приводит в движение двигатель, переходит в световую волну в лампах и др. Активная мощность — это среднее значение мгновенной мощности за период.

Полная мощность в цепях переменного тока равна квадратному корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей.

S = ? ( P2 + Q2)

Активная мощность вычисляется как:
P = I * U * cos ?
I и U это действующие значения тока и напряжения.

Или:

P = S * cos ?
Т.е. активная и полная мощности связаны через коэффициент — cos ?.

Коэффициент мощности – это соотношение полезной активной мощности к полной мощности, то есть cos?=P/S этот коэффициент характеризует, насколько эффективно используется электроэнергия. cos ? – это косинус угла сдвига между напряжением питающей сети и током, потребляемым нагрузкой.

При cos ? = 1 (когда фаза тока совпадает с фазой напряжения) активная мощность на нагрузке равна полной. Вся энергия питающей сети используется для полезной работы. Происходит это только на чисто активной нагрузке, без реактивной составляющей.

Попробуем рассчитать мощность, когда угол между напряжением и током составляет 90 градусов.

На графике ? равно 90 косинус фи (cos?)=0(нулю). Для простоты вычислений возьмем максимальное значение напряжения равное 1 (100%). В этот момент ток равен 0 (нулю). Соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот, когда ток максимальный, напряжение равно нулю. Получается, что полезная, активная мощность равна 0 (нулю).

Конечно, устройств с cos ? = 0 на практике не бывает, но промежуточных вариантов может быть множество. Например, бестрансформаторный блок питания, приведенный в качестве примера выше, имеет коэффициент мощности 0,6 — 0,7.

Значимость коэффициента мощности

Приведем простые расчеты, демонстрирующие значимость данного показателя.
Два потребителя электроэнергии с одинаковой активной (полезной) мощностью. У первого cos ? = 1, а у второго – 0,5. Это означает, что второй потребитель потребляет от сети ток в два раза больше, чем первый. Т.к. зависимость потерь в проводах от тока имеет квадратичный характер (P = I2 * R), то потери на активном сопротивлении проводов во втором случае будут в 4 раза больше. Соответственно потребуются провода большего сечения.

Высокий коэффициент мощности особенно важен для мощных нагрузок и длинных линий электропередач.

Реактивная мощность в электрических сетях продуцирует следующие негативные факторы:

• Увеличение потерь в проводниках
• Нагрев проводников вызывает ускорение старения изоляции, снижение срока службы, способствует возникновению коротких замыканий
• Снижение пропускной способности энергосистемы при генерации дополнительной мощности для компенсации потерь
• Нагрев обмоток трансформаторов и снижение нагрузочной способности без видимых причин
• Перегрузка генераторов и трансформаторов.
  Повышение тока из-за низкого коэффициента мощности вызывает перегрузку генераторов и трансформаторов, и, как следствие, уменьшение их срока службы вследствие превышения расчётных характеристик
• Увеличение падения напряжения
  Протекающий по электрическому проводнику ток вызывает падение на нем напряжения, величина которого определяется по закону Ома. Возрастание величины тока из-за низкого значения коэффициента мощности вызывает увеличение падения напряжения, что приводит к снижению напряжения на нагрузке относительно требуемого значения, и приводит к снижению мощности, поступающей на нагрузку

Использование КРМ для снижения нагрузки в электросетях. Виды компенсаторов

Для уменьшения нагрузки в электрических сетях от реактивной мощности применяются компенсаторы реактивной мощности. Это может быть использование синхронного компенсатора. Данное оборудование представлено синхронным двигателем, работающим на холостом ходу. Одновременно с ним применяются системы регулировок, влияющих на эффективность оборудования. Кроме синхронного устройства, компенсация производится с помощью батарей конденсаторов. Этот вариант считается более простым и дешевым в эксплуатации.

Преимущества компенсации реактивной мощности

• Повышение эффективности использования электрической энергии за счет снижения тепловых потерь на передачу электроэнергии.

Снижение тепловых потерь можно рассчитать, если значение тока в законе Джоуля-Ленца выразить через соотношение для активной мощности. Получается следующая зависимость:

Потери комп./Потери нач. =( COS ? нач./ COS ? комп)?

В результате расчётов получаем следующие зависимости:


В таблице показано возможное уменьшение тепловых потерь

COS ? начальнй	COS ? компенсированный
	0,85	0,90	0,95	1,00
0,50	65,40%	69,14%	72,30%	75,00%
0,55	58,13%	62,65%	66,48%	69,75%
0,60	50,17%	55,56%	60,11%	64,00%
0,65	41,52%	47,84%	53,19%	57,75%
0,7	32,18%	39,51%	45,71%	51,00%
0,75	22,15%	30,59%	37,67%	43,75%
0,80	11,42%	20,99%	29,09%	36,00%
0,85	—	10,80%	19,94%	27,75%
0,90	—	—	10,25%	19,00%
0,95	—	—	—	9,75%

• Повышение качества электроснабжения за счёт уменьшения падения напряжения в линии электропередач.

В процессе передачи электроэнергии на расстоянии ток вынужден преодолевать сопротивление (R) проводов, что вызывает падение напряжения в линии. Падения напряжения можно определить по закону Ома. Оно равно произведению величины тока на сопротивление. Если выразить величину тока через активную мощность, то в конце преобразований получим следующее выражение:

?U=?Uкомп./?Uнач.* COS ? нач./ COS ? комп

В таблице показано возможное уменьшение падения напряжения

COS ? начальнй	COS ? компенсированный
	0,85	0,90	0,95	1,00
0,50	41,18%	44,44%	47,37%	50,00%
0,55	35,29%	38,89%	42,11%	45,00%
0,60	29,41%	33,33%	36,84%	40,00%
0,65	23,53%	27,78%	31,58%	35,00%
0,7	17,65%	22,22%	26,32%	30,00%
0,75	11,76%	16,67%	21,05%	25,00%
0,80	5,88%	11,11%	15,76%	20,00%
0,85	—	5,56%	10,53%	15,00%
0,90	—	—	5,26%	10,00%
0,95	—	—	—	5,00%



• Экономия до 30% на оплате электроэнергии. При компенсированном коэффициенте мощности нет необходимости платить за реактивную мощность. Значительное сокращение энергопотребления.
• Увеличение срока службы электрических машин. Недостаток реактивной мощности приводит к увеличению тока, что вызывает снижение срока службы электрооборудования.
• Стоимость прокладки кабеля сокращается до 30%. Оптимизация конструкции оборудования за счёт уменьшения сечения проводников позволяет снизить стоимость используемых материалов.
• Снижения тепловых потерь на передачу электроэнергии. Повышение эффективности использования электроэнергии и качества электроснабжения за счёт уменьшения падения напряжения в линии электропередач.
• Дополнительный прирост мощности системы электроснабжения. При скомпенсированном коэффициенте мощности часть избыточной энергии, высвобождающейся за счёт уменьшения потерь, может быть использована потребителем.



Как выбрать оборудование для компенсации реактивной мощности

Оптимальный выбор оборудования для коррекции коэффициента мощности будет зависеть от типа имеющихся нагрузок и режимов их работы.

Если загрузка оборудования мало подвержена колебаниям, т.е. она почти постоянна, то выгоднее всего использовать индивидуальную компенсацию реактивной мощности. В этом случае конденсатор включается и выключается вместе с относящейся к нему нагрузкой, поэтому компенсация соответствует cos ? нагрузки и синхронизирована с ее суточными колебаниями. Индивидуальная компенсация реактивной мощности наиболее эффективна, если большая часть реактивной мощности потребляется несколькими мощными нагрузками, которые работают непрерывно или длительное время.

рис.1


Индивидуальная компенсация (см. рис.1) реактивной мощности имеет следующие преимущества:
• Компенсация четко соответствует нагрузке
• Конденсаторная батарея может быть размещена непосредственно у нагрузки
• Конденсаторы используются только во время работы нагрузки
• Низкая стоимость установки
• Реактивная мощность полностью исключена из распределительной сети
• Простота установки
• Низкая стоимость решения

Однако во многих системах не все нагрузки задействованы одновременно, и некоторые из них работают всего несколько часов в день. В этом случае индивидуальная компенсация реактивной мощности становится более дорогой из-за необходимости установки большого количества конденсаторов. При этом основная масса конденсаторов не будет использоваться большую часть времени.

рис.2

Если в такой системе часть потребителей всегда работает, а часть стоит, периодически меняясь местами, но суммарная нагрузка получается примерно одинаковая по времени, то используют нерегулируемую групповую компенсацию реактивной мощности (см. рис. 2).

Такая конфигурация имеет следующие преимущества:

• Конденсаторная батарея может быть размещена в щите управления
• Конденсаторы используются только во время работы нагрузки
• Низкая стоимость установки
• Реактивная мощность полностью исключена из распределительной сети

Групповая компенсация имеет и недостаток:

• Распределительная сеть до щита питания нагружена реактивной мощностью

Если потребность в реактивной мощности сильно колеблется, целесообразно использовать батареи с автоматическим регулированием (см. рис. 3), а не конденсаторы, емкость которых постоянна. В этой системе конденсаторы устанавливаются рядом со щитом питания. Суммарная емкость батареи конденсаторов разделяется на ступени. Контроллер регистрирует текущий коэффициент мощности в сети и подключает или отключает необходимую реактивную мощность. При этом контроллер выбирает ту ступень, которая меньше всего проработала до этого момента.

рис.3

Преимущества централизованной компенсации реактивной мощности с автоматическим регулированием:



• Компенсация четко соответствует изменяющейся во времени нагрузке
• Конденсаторная батарея размещена рядом со щитом питания
• Более эффективное использование конденсаторов: контроллер равномерно распределяет нагрузку на конденсаторы, что увеличивает срок службы конденсаторов
• Лучшее регулирование напряжения в энергосистеме

Важно обратить внимание, что распределительная сеть до щита питания нагружена реактивной мощностью. Необходим контроллер и аппарат управления ступенями, что усложняет решение, но при этом делает его более оптимальным по функционалу и стоимости.

В ассортименте компании EKF представлены все элементы компенсации реактивной мощности:



• Конденсаторы КПС-0,40-ХХ-3, рассчитанные на работу в трехфазных сетях переменного тока 400В с номинальными емкостями до 50 кВАр
• Регуляторы на 3,5,7,14 подключаемых ступеней компенсации
• Контакторы для конденсаторов номиналами от 12,5 кВАр до 50 кВАр с катушками управления 230В и 400В
• Щиты ШМП и ВРУ с удобной внутренней конфигурацией, которые можно подобрать для любого варианта компенсации реактивной мощности.

Кроме того, в компании EKF проводится сертификация сборщиков данного оборудования. Подробнее о том, как осуществить квалифицированный подбор и сборку компенсаторных установок в вашем регионе, можно уточнить по электронной почте [email protected].

Что такое реактивная мощность и её компенсация

17.08.2017

Что такое реактивная мощность и что с ней делать.

Асинхронные двигатели, трансформаторы, газоразрядные и люминесцентные лампы, индукционные и дуговые печи и т.д. в силу своих физических свойств вместе с активной энергией потребляют из сети также и реактивную энергию, которая необходима для создания электромагнитного поля. В отличие от активной энергии, реактивная не преобразуется в другие виды – механическую или тепловую – и не выполняет полезной работы, однако вызывает потери при ее передаче. На Рис.1 изображены направления протекания тока при работе с реактивными нагрузками.

Рис.1. Полная мощность.

Наличие в сети реактивной мощности (Q, Вар) характеризуется коэффициентом мощности (PF, cos ф) и является соотношением активной (P, Вт) к полной (S, ВА). Ниже можно увидеть зависимость полной мощности от ее составляющих как на векторной диаграмме, так и на более житейском уровне – бокале пива, где пиво является активной составляющей, а пена – реактивной. Никто же не хочет иметь бокал только с пеной?

Рис.2. Треугольник мощностей. Расчет коэффициента мощности.

При низких значениях коэффициента мощности в сети будет возникать ряд нежелательных явлений, которые могут привести к существенному уменьшению срока службы оборудования. Рекомендуется иметь cos ф не менее 0,9 (например, в Чехии за cos ф менее 0,95 штрафуют). Для этого разработан ряд мероприятий по регулированию баланса реактивной мощности в сети – компенсация реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности (КРМ).

Следует понимать, что реактивная мощность бывает двух характеров – индуктивная и емкостная. Нас интересует компенсация только первого типа, т.к. второй встречается редко. В нашем случае – сетях с индуктивной нагрузкой – для увеличения cos ф требуется устанавливать компенсационные конденсаторы. Но как это сделать?

Выбор способа компенсации предполагает определение места установки конденсаторов (зачастую в составе конденсаторной установки (далее КУ)). Существует три основных варианта:

• Индивидуальная компенсация

Размещение конденсаторов у устройств с низким cos ф и включение одновременно с последними.

• Групповая компенсация

Размещение конденсаторов у группы устройств (например, пожарных насосов).

• Централизованная компенсация

Предусматривает установку КУ на главном распределительном щите. Если предыдущие варианты могли быть как регулируемыми, так и нет, то этот, как правило, регулируемый.

Рис.3. Способы компенсации.

При правильном подборе КУ мероприятия по компенсации реактивной мощности позволяют:

• существенно уменьшить нагрузку на трансформаторах, а следовательно уменьшить их нагрев и увеличить срок службы

• при включении КУ в расчет при проектировании новых объектов, существенно уменьшить сечение проводников

• при включении КУ в уже существующие сети, разгрузить их, повышая пропускную способность без реконструкции

• снизить расходы на электроэнергию за счет снижения потери в проводниках

• повысить стабильность напряжения (все) и качество электроэнергии (при использовании ФКУ)

Где мы можем сэкономить видно невооруженным глазом, но для начала придется и потратиться.

Во-первых, необходимо заказать проект, который следует доверить проверенной организации. Которая в свою очередь проведет ряд измерений или сделает расчеты для новых объектов и исходя из них даст рекомендации по способу компенсации, типу КУ и их параметрам.

Во-вторых, следует выбрать организацию-сборщика, которая соберет, установит и настроит наши КУ.

Что может входить в состав КУ?

Рассмотрим максимально возможную комплектацию конденсаторной установки:

1. Вводное устройство – автоматический выключатель, разъединитель предохранительный или выключатель нагрузки (при наличии еще одного вводного устройства, например, в ГРЩ).

2. Защитные устройства ступеней – большинство производителей (например, ZEZ Silko) рекомендуют использовать плавкие вставки с характеристикой gG (см. таблицу ниже), но нередко можно встретить и защиту автоматическими выключателями.

3. Коммутационное устройство (для статической компенсации НН) – контактор с токоограничевающей приставкой (контакты предварительного включения с сопротивлениями). Важно выбрать качественного производителя, т.к. через контактор при включении ступени проходят огромные токи (до 200Iе), обусловленные зарядом конденсатора, например, Benedict-Jager или Eaton (Moeller).

4. Антирезонансные дроссели (реакторы) – используются для защиты от перегрузки токами конденсаторов при наличии в сети высших гармоник.

5. Компенсационные конденсаторы – главный компонент всей установки – емкостной элемент. Читать подробнее о применении, конструкции и монтаже низковольтных цилиндрических компенсационных конденсаторов в предыдущей статье.

6. Регулятор реактивной мощности – своего рода анализатор сети с функцией управления ступенями. В зависимости от модели разные регуляторы кроме основных параметров (U, I, P, cos ф, количество подключенных ступеней) контролируют и ряд дополнительных (нелинейные искажения, температура и т.д). Также могу быть и дополнительные функции, например, коммуникация или автонастройка.

* Рассмотрена только основная комплектация без оболочек и микроклимата, защиты вторичных цепей.

Номинальный ток 3-фазного конденсатора [A]	3-фазн. компенсационная мощность при 400 V [kvar]	Рекомендуемое сечение Cu проводников [mm2]	Номинальный ток предохранителя [A]
2,9	2	2,5	8
3,6	2,5	2,5	8
4,5	3,15	2,5	10
5,8	4	2,5	10
7,2	5	2,5	16
9	6,25	2,5	16
11,5	8	4	20
14,4	10	4	25
18,1	12,5	6	32
21,7	15	6	40
28,8	20	10	50
36,1	25	10	63
43,4	30	16	80
50,5	35	16	100
57,7	40	25	100
72,2	50	25	125
86,6	60	35	160
115,5	80	70	200
144,3	100	95	250

Таблица 1. Подбор предохранителей и проводников.

В заключение хочется напомнить, что неверно спроектированные, собранные и настроенные компенсационные установки или из материалов сомнительного происхождения имеют обыкновение громко выходить из строя.

Коммерческое предложение действительно на 13.10.2021 г.

Что такое реактивный ток двигателя

Коэффициент мощности

Коэффицие́нт мо́щности — безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей и мощности искажения (собирательное название — неактивная мощность). Следует отличать понятие «коэффициент мощности» от понятия «косинус фи», который равен косинусу сдвига фазы переменного тока, протекающего через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения. Второе понятие используют в случае синусоидальных тока и напряжения, и только в этом случае оба понятия эквивалентны.

Реактивная мощность

Реактивная мощность возникает при наличии реактивных элементов в цепи, таких как катушка или конденсатор. При этом часть энергии полученной от источника возвращается обратно к нему.

При наличии в цепи и катушки и конденсатора, суммарная реактивная мощность оказывается меньше, чем в цепях, в которых эти элементы расположены по отдельности. Это связано с тем, что индуктивная Q_L и емкостная Q_C мощности имеют разные знаки. При равенстве этих мощностей наблюдается явление резонанса, при котором реактивная мощность равна нулю. В этом случае энергия не поступает к источнику, а циркулирует между катушкой и конденсатором.

Что может входить в состав КУ?

Рассмотрим максимально возможную комплектацию конденсаторной установки:

Вводное устройство – автоматический выключатель, разъединитель предохранительный или выключатель нагрузки (при наличии еще одного вводного устройства, например, в ГРЩ).

Защитные устройства ступеней – большинство производителей (например, ZEZ Silko) рекомендуют использовать плавкие вставки с характеристикой gG (см. таблицу ниже), но нередко можно встретить и защиту автоматическими выключателями.

Коммутационное устройство (для статической компенсации НН) – контактор с токоограничевающей приставкой (контакты предварительного включения с сопротивлениями). Важно выбрать качественного производителя, т.к. через контактор при включении ступени проходят огромные токи (до 200Iе), обусловленные зарядом конденсатора, например, Benedict-Jager или Eaton (Moeller).

Антирезонансные дроссели (реакторы) – используются для защиты от перегрузки токами конденсаторов при наличии в сети высших гармоник.

Компенсационные конденсаторы – главный компонент всей установки – емкостной элемент. Читать подробнее о применении, конструкции и монтаже низковольтных цилиндрических компенсационных конденсаторов в предыдущей статье.

Регулятор реактивной мощности – своего рода анализатор сети с функцией управления ступенями. В зависимости от модели разные регуляторы кроме основных параметров (U, I, P, cos ф, количество подключенных ступеней) контролируют и ряд дополнительных (нелинейные искажения, температура и т.д). Также могу быть и дополнительные функции, например, коммуникация или автонастройка.

* Рассмотрена только основная комплектация без оболочек и микроклимата, защиты вторичных цепей.

Номинальный ток 3-фазного конденсатора

3-фазн. компенсационная мощность при 400 V

Рекомендуемое сечение Cu проводников

Активная и реактивная мощность

В понятиях активная и реактивная мощность сталкиваются противоречивые интересы потребителей электрической энергии и ее поставщиков. Потребителю выгодно платить только за потребленную им полезную электроэнергию, поставщику выгодно получать оплату за сумму активной и реактивной электроэнергии. Можно ли совместить эти кажущиеся противоречивыми требования? Да, если свести количество реактивной электроэнергии к нулю.

Активная мощность

Существуют потребители электроэнергии, у которых полная и активная мощности совпадают. Это потребители, у которых нагрузка представлена активными сопротивлениями (резисторами). Среди бытовых электроприборов примерами подобной нагрузки являются лампы накаливания, электроплиты, жарочные шкафы и духовки, обогреватели, утюги, паяльники и пр.

Указанная у этих приборов в паспорте, одновременно является активная и реактивная мощность . Это тот случай, когда мощность нагрузки можно определить по известной из школьного курса физики формуле, перемножив ток нагрузки на напряжение в сети. Ток измеряется в амперах (А), напряжение в вольтах (В), мощность в ваттах (Вт). Конфорка электрической плиты в сети с напряжением 220 В при токе в 4,5 А потребляет мощность 4,5 х 220 = 990 (Вт).

Реактивная мощность

Иногда, проходя по улице, можно увидеть, что стекла балконов покрыты изнутри блестящей тонкой пленкой. Эта пленка изъята из бракованных электрических конденсаторов, устанавливаемых с определенными целями на питающих мощных потребителей электрической энергии распределительных подстанциях. Конденсатор – типичный потребитель реактивной мощности. В отличие от потребителей активной мощности, где главным элементом конструкции является некий проводящий электричество материал (вольфрамовый проводник в лампах накаливания, нихромовая спираль в электроплитке и т.п.). В конденсаторе главный элемент – не проводящий электрический ток диэлектрик (тонкая полимерная пленка или пропитанная маслом бумага).

Реактивная емкостная мощность

Красивые блестящие пленки, что вы видели на балконе – это обкладки конденсатора из токопроводящего тонкого материала. Конденсатор замечателен тем, что он может накапливать электрическую энергию, а затем отдавать ее – своеобразный такой аккумулятор. Если включить конденсатор в сеть постоянного тока, он зарядится кратковременным импульсом тока, а затем ток через него протекать не будет. Вернуть конденсатор в исходное состояние можно, отключив его от источника напряжения и подключив к его обкладкам нагрузку. Некоторое время через нагрузку будет течь электрический ток, и идеальный конденсатор отдает в нагрузку ровно столько электрической энергии, сколько он получил при зарядке. Подключенная к выводам конденсатора лампочка может на короткое время вспыхнуть, электрический резистор нагреется, а неосторожного человека может «тряхнуть» или даже убить при достаточном напряжении на выводах и запасенном количестве электричества.

Интересная картина получается при подключении конденсатора к источнику переменного электрического напряжения. Поскольку у источника переменного напряжения постоянно меняются полярность и мгновенное значение напряжения (в домашней электросети по закону, близкому к синусоидальному). Конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, через него будет непрерывно протекать переменный ток. Но этот ток не будет совпадать по фазе с напряжением источника переменного напряжения, а будет опережать его на 90°, т.е. на четверть периода.

Это приведет к тому, что суммарно половину периода переменного напряжения конденсатор потребляет энергию из сети, а половину периода отдает, при этом суммарная потребляемая активная электрическая мощность равна нулю. Но, поскольку через конденсатор течет значительный ток, который может быть измерен амперметром, принято говорить, что конденсатор – потребитель реактивной электрической мощности.

Вычисляется реактивная мощность как произведение тока на напряжение, но единица измерения уже не ватт, а вольт-ампер реактивный (ВАр). Так, через подключенный к сети 220 В частотой 50 Гц электрический конденсатор емкостью 4 мкФ течет ток порядка 0,3 А. Это означает, что конденсатор потребляет 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивной мощности – сравнимо с мощностью средней лампы накаливания, но конденсатор, в отличие от лампы, при этом не светится и не нагревается.

Реактивная индуктивная мощность

Если в конденсаторе ток опережает напряжение, то существуют ли потребители, где ток отстает от напряжения? Да, и такие потребители, в отличие от емкостных потребителей, называются индуктивными, оставаясь при этом потребителями реактивной энергии. Типичная индуктивная электрическая нагрузка – катушка с определенным количеством витков хорошо проводящего провода, намотанного на замкнутый сердечник из специального магнитного материала.

На практике хорошим приближением чисто индуктивной нагрузки является работающий без нагрузки трансформатор (или стабилизатор напряжения с автотрансформатором). Хорошо сконструированный трансформатор на холостом ходу потребляет очень мало активной мощности, потребляя мощность в основном реактивную.

Реальные потребители электрической энергии и полная электрическая мощность

Из рассмотрения особенностей емкостной и индуктивной нагрузки возникает интересный вопрос – что произойдет, если емкостную и индуктивную нагрузку включить одновременно и параллельно. Ввиду их противоположной реакции на приложенное напряжение, эти две реакции начнут компенсировать друг друга. Суммарная нагрузка окажется только емкостной или индуктивной, и в некотором идеальном случае удастся добиться полной компенсации. Выглядеть это будет парадоксально – подключенные амперметры зафиксируют значительные (и равные!) токи через конденсатор и катушку индуктивности, и полное отсутствие тока в объединяющих их общей цепи. Описанная картина несколько нарушается лишь тем, что не существует идеальных конденсаторов и катушек индуктивности, но подобная идеализация помогает понять суть происходящих процессов.

Вернемся к реальным потребителям электрической энергии. В быту мы пользуемся в основном потребителями чисто активной мощности (примеры приведены выше), и смешанной активно-индуктивной. Это электродрели, перфораторы, электродвигатели холодильников, стиральных машин и прочей бытовой техники. Также к ним относятся электрические трансформаторы источников питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры и стабилизаторов напряжения. В случае подобной смешанной нагрузки, помимо активной (полезной) мощности, нагрузка потребляет еще и реактивную мощность, в итоге полная мощность отказывается больше активной мощности. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), и всегда представляет собой произведение тока в нагрузке на напряжение на нагрузке.

Таинственный «косинус фи»Отношение активной мощности к полной называется в электротехнике «косинусом фи». Обозначается cos φ. Это отношение называется также и коэффициентом мощности. Нетрудно видеть, что для случая чисто активной нагрузки, где полная мощность совпадает с активной, cos φ = 1. Для случаев чисто емкостной или индуктивной нагрузок, где нулю равна активная мощность, cos φ = 0.

В случае смешанной нагрузки значение коэффициента мощности заключается в пределах от 0 до 1. Для бытовой техники обычно в диапазоне 0,5-0,9. В среднем можно считать его равным 0,7, более точное значение указывается в паспорте электроприбора.

За что платим?

И, наконец, самый интересный вопрос – за какой вид энергии платит потребитель. Исходя из того, что реактивная составляющая суммарной энергии не приносит потребителю никакой пользы, при этом долю периода реактивная энергия потребляется, а долю отдается, платить за реактивную мощность незачем. Но бес, как известно, кроется в деталях. Поскольку смешанная нагрузка увеличивает ток в сети, возникают проблемы на электростанциях, где электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, а именно: индуктивная нагрузка «развозбуждает» генератор, и приведение его в прежнее состояние обходится в затраты уже реальной активной мощности на его «довозбуждение».

Таким образом, заставить потребителя платить за потребляемую реактивную индуктивную мощность вполне справедливо. Это побуждает потребителя компенсировать реактивную составляющую своей нагрузки, а, поскольку эта составляющая в основном индуктивная, компенсация заключается в подключении конденсаторов наперед рассчитанной емкости.

Потребитель находит возможность платить меньше

Если потребителем оплачивается отдельно потребляемая активная и реактивная мощность. Он готов идти на дополнительные затраты и устанавливать на своем предприятии батареи конденсаторов, включаемые строго по графику в зависимости от средней статистики потребления электроэнергии по часам суток.

Существует также возможность установки на предприятии специальных устройств (компенсаторов реактивной мощности), подключающих конденсаторы автоматически в зависимости от величины и характера потребляемой в данный момент мощности. Эти компенсаторы позволяют поднять значение коэффициента мощности с 0,6 до 0,97, т.е. практически до единицы.

Принято также, что если соотношение потребленной реактивной энергии и общей не превышает 0,15, то корпоративный потребитель от оплаты за реактивную энергию освобождается.

Что же касается индивидуальных потребителей, то, ввиду сравнительно невысокой потребляемой ими мощности, разделять счета на оплату потребляемой электроэнергии на активную и реактивную не принято. Бытовые однофазные счетчики электрической энергии учитывают лишь активную мощность электрической нагрузки, за нее и выставляется счет на оплату. Т.е. в настоящее время даже не существует технической возможности выставить индивидуальному потребителю счет за потребленную реактивную мощность.

Особых стимулов компенсировать индуктивную составляющую нагрузки у потребителя нет, да это и сложно осуществить технически. Постоянно подключенные конденсаторы при отключении индуктивной нагрузки будут бесполезно нагружать подводящую электропроводку. За электросчетчиком (перед счетчиком тоже, но за то потребитель не платит), что вызовет потребление активной мощности с соответствующим увеличением счета на оплату, а автоматические компенсаторы дороги и вряд ли оправдают затраты на их приобретение.

Другое дело, что производитель иногда устанавливает компенсационные конденсаторы на входе потребителей с индуктивной составляющей нагрузки. Эти конденсаторы, при правильном их подборе, несколько снизят потери энергии в подводящих проводах, при этом несколько повысив напряжение на подключенном электроприборе за счет уменьшения падения напряжения на подводящих проводах.

Но, что самое главное, компенсация реактивной энергии у каждого потребителя, от квартиры до огромного предприятия, снизит токи во всех линиях электропитания, от электростанции до квартирного щитка. За счет реактивной составляющей полного тока, что уменьшит потери энергии в линиях и повысит коэффициент полезного действия электросистем.

Компенсация мощности электродвигателей и асинхронных генераторов

Другими крупными потребителями, которые, как правило, подключаются к сети высокого напряжения, являются электродвигатели и асинхронные генераторы. Данные агрегаты являются ответственными потребителями, поэтому их установка, эксплуатация и техническое обслуживание требуют особого внимания. Существуют три возможных способа компенсации реактивной мощности этого типа потребителей, подключаемых к сети высокого напряжения:

• с помощью конденсаторов с прямым подсоединением к клеммам машины;
• с помощью конденсаторов с параллельным подсоединением к машине;
• автоматическая групповая компенсация реактивной мощности.

В машинах переменного тока реактивная мощность составляет порядка 30 – 40% от номинального значения. Следовательно, они являются крупными потребителями реактивной мощности, поступающей от системы. Как правило, коррекция коэффициента мощности таких установок осуществляется путем прямого подсоединения конденсаторной батареи подходящего номинала к клеммам электродвигателя.

При этом распределительное устройство, органы управления и система защиты машины одновременно обслуживают и конденсатор, и саму машину. Это наиболее общепринятый и экономичный способ компенсации реактивной мощности вращающихся машин. Однако, для обеспечения большей рентабельности эксплуатации и технического обслуживания конденсатора, его можно подключить к клеммам машины или к шинам через отдельное распределительное устройство. Дальнейшие действия зависят от сделанного выбора.

Если в центре управления двигателя к одной шине подключены несколько двигателей, наилучшим способом будет установить высоковольтный модуль компенсации коэффициента мощности, равно как и в случае низковольтных систем. При этом устанавливается конденсаторная батарея, номинальная реактивная мощность которой согласуется с номинальной мощностью различных двигателей, подключенных к системе, и с максимальным количеством двигателей, которые всегда остаются включенными в сеть. Батарея делится на несколько ступеней с равной или неравной реактивной мощностью в зависимости от режима нагрузки. Включение и выключение ступеней конденсатора происходит автоматически. Данный тип установки отличается от других значительными первоначальными затратами. Однако в долгосрочной перспективе данный способ может быть более выгодным благодаря обеспечиваемой им точности и эффективности компенсации реактивной мощности.

Конденсатор с прямым подсоединением к клеммам машины

На рисунке показан способ соединения. Система управления и защиты является общей для конденсаторов и машины. При этом требуется ввести ограничение по току le ≤ lo (ток холостого хода электродвигателя), так чтобы снизить до минимума возможность самовозбуждения.

Максимально допустимая реактивная мощность конденсатора определяется по следующей формуле:

Qm = 0,9 x lo x Un x √3

Qm = 2 x Pn x (1-cosφi)

(Как правило, Qm соответствует 40%-30% от Pn в зависимости от коэффициента cosφ, который составляет 0,8- 0,85)

При этом максимальный коэффициент мощности cosφ отдельного электродвигателя приблизительно равен 0,95.

Qm – максимальная мощность конденсатора, кВАр
Io – ток холостого хода электродвигателя, A
Un – номинальное напряжение, В
Pn – номинальная мощность электродвигателя, кВт
cosφi – начальный коэффициент мощности.

Выделенные синим цветом цифры обозначают величину реактивной мощности конденсатора, который следует подключить к клеммам электродвигателя, чтобы получить указанный конечный коэффициент мощности с минимальной возможностью возникновения самовозбуждения.

Выделенные синим цветом цифры обозначают величину реактивной мощности конденсатора, который следует подключить к клеммам электродвигателя, чтобы получить указанный конечный коэффициент мощности с минимальной возможностью возникновения самовозбуждения.

Конденсатор с параллельным подсоединением к машине

При таком способе соединения исключается возможность возникновения самовозбуждения, а повышение коэффициента мощности до значения, близкого к единице, наоборот становится возможным.

В этом случае электродвигатель и конденсаторная батарея обслуживаются разными устройствами управления и защиты.

При такой конфигурации электродвигатель и конденсатор функционально независимы, а конденсаторная батарея включается и выключается по мере необходимости. Повторное подключение конденсаторной батареи происходит по истечении достаточного времени для разряда.

При этом выведение электродвигателя из эксплуатации для проведения технического обслуживания конденсаторных батарей не требуется.

Номинальная реактивная мощность конденсаторной батареи определяется по следующей формуле:

Qm = Pn x (tgφнач-tgφкон)

Автоматическая групповая компенсация реактивной мощности

Современный способ компенсации реактивной мощности предусматривает коррекцию коэффициента мощности группы электродвигателей в центре управления двигателями.

При таком способе коэффициент мощности увеличивается до оптимального значения при оптимальных размерах конденсаторной батареи и ее номинальной мощности, контролируемой с помощью контроллера коэффициента мощности. Коэффициент мощности поддерживается равным заданному значению путем добавления / снятия конденсаторов и изменения конфигурации подсоединяемой нагрузки.

В приведенной ниже таблице указаны значения мощности конденсатора в квар в асинхронном электродвигателе c учетом значений его номинальной мощности (вт) и частоты вращения (количества оборотов)

Расчет

Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

S = U I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

Схема симметричной нагрузки

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.

Расчет трехфазной сети

Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I .

Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

Сопротивление индуктивности: x_L = ωL = 2πfL,

Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства.

При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

Диаграмма треугольников напряжений

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Реактивная мощность (Q)

Измеряется в вар (вольт ампер реактивный)

Реактивная мощность является мерой потребления (или выработки реактивного тока). То есть это мощность которая сначала накапливается во внешней электрической цепи (в индуктивности и ёмкости), а потом отдаваемая обратно в сеть на протяжения 1/4 периода.

Реактивная мощность может быть как положительной так и отрицательной.

Появление реактивной мощности связанно с наличием в цепях индуктивной и ёмкостной нагрузки.

Q = I*U*sin φ

Реактивная мощность в отличии от активной не расходуется на прямые нужды (преобразование электрической энергии в другие виды энергии). Она как бы не несёт полезной нагрузки, но без неё невозможно осуществление полезной работы. В настоящий момент прилагается много усилий на уменьшение затрачиваемой реактивной мощности, так как это приводит к уменьшению потребления активной мощности.

Реактивная мощность: от возникновения к практике

Реактивная мощность – часть электрической энергии, возращенная нагрузкой источнику. Явление возникновения ситуации считается вредным.

Возникновение реактивная мощность

Допустим, цепь содержит источник питания постоянного тока и идеальную индуктивность. Включение цепи порождает переходный процесс. Напряжение стремится достичь номинального значения, росту активно мешает собственное потокосцепление индуктивности. Каждый виток провода согнут круговой траекторией. Образуемое магнитное поле будет пересекать соседствующий сегмент. Если витки расположены один за другим, характер взаимодействия усилится. Рассмотренное называется собственным потокосцеплением.

Характер процесса таков: наводимая ЭДС препятствует изменениям поля. Ток пытается стремительно вырасти, потокосцепление тянет обратно. Вместо ступеньки видим сглаженный выступ. Энергия магнитного поля потрачена, чтобы воспрепятствовать процессу создавшему. Случай возникновения реактивной мощности. Фазой отличается от полезной, вредит. Идеально: направление вектора перпендикулярно активной составляющей. Подразумевается, сопротивление провода нулевое (фантастический расклад).

При выключении цепи процесс повторится обратным порядком. Ток стремится мгновенно упасть до нуля, в магнитном поле запасена энергия. Пропади индуктивность, переход пройдет внезапно, потокосцепление придает процессу иную окраску:

1. Уменьшение тока вызывает снижение напряженности магнитного поля.
2. Произведенный эффект наводит противо-ЭДС витков.
3. В результате после отключения источника питания ток продолжает существовать, понемногу затухая.

Графики напряжения, тока, мощности

Реактивная мощность некое звено инерции, постоянно запаздывающее, мешающее. Первый вопрос: зачем тогда нужны индуктивности? О, у них хватает полезных качеств. Польза заставляет мириться с реактивной мощностью. Распространенным положительным эффектом назовем работу электрических двигателей. Передача энергии идет через магнитный поток. Меж витками одной катушки, как было показано выше. Взаимодействию подвержены постоянный магнит, дроссель, все, способное захватить вектором индукции.

Случаи нельзя назвать в смысле описательном всеобъемлющими. Иногда применяется поток сцепления в виде, показанном для примера. Принцип используют пускорегулирующие аппараты газоразрядных ламп. Дроссель снабжен несметным количеством витков: отключение напряжения вызывает не плавное снижение тока, но выброс большой амплитуды противоположной полярности. Индуктивность велика: отклик поистине потрясающий. Превышает исходные 230 вольт на порядок. Достаточно, чтобы возникла искра, лампочка зажглась.

Реактивная мощность и конденсаторы

Реактивная мощность запасается энергией магнитного поля индуктивностями. А конденсатор? Выступает источником возникновения реактивной составляющей. Дополним обзор теорией сложения векторов. Поймет рядовой читатель. В физике электрических сетей часто используются колебательные процессы. Всем известные 220 вольт (теперь принятые 230) в розетке частотой 50 Гц. Синусоида, амплитуда которой равна 315 вольт. Анализируя цепи, удобно представить вращающимся по часовой стрелке вектором.

Анализ цепей графическим методом

Упрощается расчет, можно пояснить инженерное представление реактивной мощности. Угол фазы тока считают равным нулю, откладывается вправо по оси абсцисс (см. рис.). Реактивная энергия индуктивности совпадает фазой с напряжением UL, опережает на 90 градусов ток. Идеальный случай. Практикам приходится учитывать сопротивление обмотки. Реактивной на индуктивности будет часть мощности (см. рис.). Угол меж проекциями важен. Величина называется коэффициентом мощности. Что означает на практике? Перед ответом на вопрос рассмотрим понятие треугольника сопротивлений.

Треугольник сопротивлений и коэффициент мощности

Чтобы проще вести анализ электрических цепей, физики предлагают использовать треугольник сопротивлений. Активная часть откладывается, как ток, – вправо оси абсцисс. Договорились, индуктивность направлять вверх, емкость – вниз. Вычисляя полное сопротивление цепи, значения вычитаем. Исключено комбинированный случай. Доступно два варианта: реактивное сопротивление положительное, либо отрицательное.

Получая емкостное/индуктивное сопротивление, параметры элементов цепи домножают коэффициентом, обозначаемым греческой буквой «омега». Круговая частота – произведение частоты сети на удвоенное число Пи (3.14). Еще одно замечание по поводу нахождения реактивных сопротивлений укажем. Если индуктивность просто домножается указанным коэффициентом, для емкостей берутся величины обратные произведению. Понятно из рисунка, где приведены указанные соотношения, помогающие вычислять напряжения. После домножения берем алгебраическую сумму индуктивного, емкостного сопротивлений. Первые рассматриваются положительными величинами, вторые – отрицательными.

Формулы реактивных составляющих

Две составляющие сопротивления – активная и мнимая – являются проекциями вектора полного сопротивления на оси абсцисс и ординат. Углы сохраняются при переносе абстракций на мощности. Активная откладывается по оси абсцисс, реактивная – вдоль сои ординат. Емкости и индуктивности являются основополагающей причиной возникновения в сети негативных эффектов. Было показано выше: без реактивных элементов становится невозможным построение электротехнических устройств.

Коэффициентом мощности принято называть косинус угла меж полным вектором сопротивления и горизонтальной осью. Столь важное значение параметру приписывают, поскольку полезная часть энергии источника является долей полных трат. Доля высчитывается умножением полной мощности на коэффициент. Если векторы напряжения и тока совпадают, косинус угла равен единице. Мощность теряется нагрузкой, улетучиваясь теплом.

Сказанному верить! Средняя мощность периода при подключении к источнику чисто реактивного сопротивления равна нулю. Половину времени индуктивность принимает энергию, вторую отдает. Обмотка двигателя обозначается на схемах прибавлением источника ЭДС, описывающего передачу энергии валу.

Практическое истолкование коэффициента мощности

Многие замечают неувязку в случае практического рассмотрения реактивной мощности. Для снижения коэффициента рекомендуют параллельно обмоткам двигателя включать конденсаторы большого размера. Индуктивное сопротивление уравновешивает емкостное, ток вновь совпадает с напряжением фазой. Сложно понять вот по какой причине:

1. Допустим, к источнику переменного напряжения подключили первичную обмотку трансформатора.
2. В идеале активное сопротивление равно нулю. Мощность должна быть реактивной. Но это плохо: угол между напряжением и током стремятся сделать нулевым!

Коэффициент мощности

Величина энергии, запасаемой полем, определяется размером индуктивности или емкости. Прочитаете в любом учебнике физики для ВУЗов (Курс физики Жданова и Маранджяна, т. 2, стр. 234), точнее – пропорциональна квадрату величины. Теория реактивной мощности предполагает: некая энергия запасается каждый период паразитной индуктивностью, емкостью, потом уходит во внешнюю цепь. Получается своеобразная циркуляция внутри колебательного контура. Сильно нагреваются соединительные провода, если индуктивность находится слишком далеко от ёмкости.

Но! Колебательный процесс безучастен работе двигателей, трансформаторов. Теория реактивной мощности предполагает: колебания совершает вся энергия. До последней капли. В трансформаторе, двигателе из поля происходит активная “утечка” энергии на совершение работы, наведение тока вторичной обмотки. Энергия циркулировать между источником и потребителем не может.

Реальная цепь процесс согласования отдельных участков затрудняет. Для перестраховки поставщики требуют установить параллельно обмотке двигателя конденсаторы, чтобы энергия циркулировала в локальном сегменте, не выходила наружу, нагревая соединительные провода. Важно избежать перекомпенсации. Если емкость конденсаторов будет слишком велика, батарея станет причиной увеличения коэффициента мощности.

Что касается сдвига фаз, возникает на вторичной обмотке трансформатора подстанции. Роль играет не это. Двигатель работает, часть энергии не преобразована в полезную работу, отражается назад. В результате возникает коэффициент мощности. Участвующая составляющая индуктивности – технологический, конструкционный дефект. Часть, не приносящая пользы. Скомпенсируем, добавляя конденсаторные блоки.

Проверка правильности согласования ведется по факту отсутствия сдвига фаз между напряжением и током работающего электродвигателя. Лишняя энергия циркулирует меж избыточной индуктивностью обмоток, установленным конденсаторным блоком. Достигнута цель мероприятия – избежать нагрева проводников питающей устройство сети.

Что предлагают под видом экономии электроэнергии

В сети предлагают купить устройства экономии электроэнергии. Компенсаторы реактивной мощности. Важно не перегнуть палку. Допустим, компенсатор будет уместно смотреться рядом с включенным компрессором холодильника, коллекторным двигателем пылесоса, обременять квартиру мерами при работающих лампочках накала – предприятие сомнительное. До установки потрудитесь узнать сдвиг фаз меж напряжением и током, согласно информации, правильно рассчитайте объем блока конденсаторов. Иначе попытки сэкономить таким образом потерпят неудачу, разве случайно удастся навести палец в небо, попасть в точку.

Вторым аспектом компенсации реактивной мощности является учет. Делается для крупных предприятий, где стоят мощные двигатели, создающие большие углы сдвига фаз. Внедряют специальные счетчики учета реактивной мощности, оплачиваемой согласно тарифу. Для расчетов коэффициента оплаты применяется оценка тепловых потерь проводов, ухудшение режима эксплуатации кабельной сети, некоторые другие факторы.

Перспективы дальнейшего изучения реактивной энергии, как явления

Реактивная мощность выступает явлением отражения энергии. Идеальные цепи явления лишены. Реактивная мощность проявляется выделенным теплом на активном сопротивлении кабельных линий, искажает синусоидальную форму сигнала. Отдельная тема разговора. При отклонениях от нормы двигатели работают не столь гладко, трансформаторам – помеха.

Определение реактивного тока | Law Insider

в отношении

реактивного тока

Сублимит альтернативной валюты означает сумму, равную меньшему из совокупных обязательств и 50 000 000 долларов. Сублимит альтернативной валюты является частью, а не дополнением к Сводным обязательствам.

Альтернативные валюты означает евро, фунты стерлингов и любую другую валюту, разумно приемлемую для Административного агента и каждого применимого Оборотного мультивалютного кредитора, которая свободно конвертируется в доллары и легко доступна на межбанковском рынке Лондона.

Альтернативная валюта означает евро, фунт стерлингов и любую другую валюту (кроме долларов), утвержденную в соответствии с разделом 1.06.

Обязательство Swingline означает сумму Обязательства Swingline Кредитора Swingline, как указано в Разделе 2.4 (a).

Заем в альтернативной валюте означает любой заем, деноминированный в альтернативной валюте.

Аккредитив в альтернативной валюте означает аккредитив в альтернативной валюте.

Канадский заем по базовой процентной ставке означает любой возобновляемый заем с процентной ставкой, определяемой на основе канадской базовой ставки в соответствии с положениями Статьи II.

Транш База заимствования означает, в любой момент расчета, сумму, равную:

Возобновляемый аккредитив любого класса означает в любое время сумму (а) совокупной невыбранной суммы всех Аккредитивы, применимые к такому Классу, непогашенные в данный момент (рассчитанные, в случае аккредитивов в альтернативной валюте, на основе их долларового эквивалента) и (b) совокупная основная сумма всех выплат по аккредитивам, применимых к такому Классу, который еще не были возмещены в это время (рассчитано, в случае аккредитивов в альтернативной валюте, на основе их долларового эквивалента).Возмещение по возобновляемым аккредитивам любого класса любого Кредитора из возобновляемой кредитной линии в любое время будет означать его применимую процентную долю возобновляемой кредитной линии от совокупной подверженности возобновляемым аккредитивам, применимую к такому классу в данный момент. Для всех целей настоящего Соглашения, если на любую дату определения аккредитива истек срок его действия, но любая сумма все еще может быть привлечена по нему в силу действия правила 3.14 Международной резервной практики, Международная торговая палата No. 590, такой аккредитив считается «непогашенным» в сумме, которая остается доступной для использования.Если иное не указано в настоящем документе, сумма аккредитива в любое время считается указанной суммой такого аккредитива, действующего в данный момент; при условии, что в отношении любого аккредитива, который по условиям или условиям любого документа, относящегося к нему, предусматривает одно или несколько автоматических увеличений указанной суммы, сумма такого аккредитива считается максимальная заявленная сумма такого аккредитива после вступления в силу всех таких увеличений, независимо от того, действует ли такая максимальная указанная сумма в данный момент.

Обязательная возобновляемая линия — это аванс в размере до 3 000 000 долларов США.

Подверженность аккредитиву в иностранной валюте означает, в любое время, сумму (а) Сумму в долларах совокупной неиспользованной и неизрасходованной суммы всех непогашенных аккредитивов в иностранной валюте на данный момент плюс (б) совокупную сумму основного долга в долларах всех выплат аккредитивов в отношении аккредитивов в иностранной валюте, которые еще не были возмещены в это время.

Обязательная возобновляемая сумма имеет значение, указанное в Разделе 2.1 (а).

Эквивалент денежной единицы в долларах должен определяться агентом по обменному курсу и с учетом положений пункта (h) ниже должна быть сумма каждой суммы, полученной путем преобразования указанной суммы каждой валюты компонента в доллары при Рыночный обменный курс для такой валюты компонента на дату оценки в отношении каждого платежа.

Канадская база заимствований на любую дату определения, результат использования в каждом случае долларового эквивалента всех сумм в канадских долларах:

Мультивалютная кредитная карта означает в любой момент сумму (a ) совокупную невыбранную сумму всех непогашенных мультивалютных аккредитивов на данный момент плюс (b) совокупную сумму всех выплат аккредитивов в отношении таких аккредитивов, которые еще не были возмещены Заемщиком или от имени Заемщика на данный момент.Мультивалютный кредитный риск любого Кредитора в любое время должен быть его Применимым мультивалютным процентным соотношением от общего Мультивалютного аккредитива на данный момент.

Доступная валюта означает евро, британский фунт стерлингов, японскую иену, канадский доллар или любую другую свободно доступную валюту, которая является (i) законной валютой, которая легко доступна, свободно переводится и конвертируется в доллары, (ii) доступна на лондонском межбанковском рынке и (iii) согласованы с Административным агентом и каждым из банков.Термин «Доступная валюта», когда он используется по отношению к любому займу или займу, относится к тому, деноминирован ли такой заем или займы, составляющие такой заем, в Доступной валюте.

Возобновляемый заем в евро означает любой возобновляемый заем, приносящий проценты по ставке, определяемой со ссылкой на Скорректированную ставку ЛИБО в соответствии с положениями Статьи II.

Canadian Swingline Loan имеет значение, присвоенное этому термину в Разделе 2.05 (а) (ii).

Канадское возобновляемое обязательство в отношении любого канадского возобновляемого кредитора, обязательство такого кредитора, если таковое имеется, предоставлять канадские возобновляемые займы и дополнительные возобновляемые займы в совокупной основной сумме, не превышающей суммы, указанной в разделе «Канадские возобновляемые займы». Обязательство »напротив имени такого Кредитора в Приложении 1.1C или в Переуступке и Допущении, в соответствии с которыми такой Кредитор стал стороной по настоящему Соглашению, поскольку оно может время от времени изменяться в соответствии с условиями настоящего Соглашения.Первоначальная сумма Общих канадских возобновляемых обязательств составляет 1 000 000 долларов США.

Сублимит в иностранной валюте означает 25 000 000 долларов США.

Канадский возобновляемый кредитор означает любого Кредитора в рамках Канадской дополнительной организации. Каждый канадский возобновляемый кредитор (или любой филиал или филиал любого такого кредитора, который действует от имени такого кредитора), который не является резидентом Канады или считается не резидентом Канады для целей ITA, должен быть финансовым учреждением, которое имеет дело с канадскими заемщиками на коммерческих условиях для целей ITA.

Заем по базовой процентной ставке США означает каждый заем, который обозначен или считается определенным как заем по базовой ставке США соответствующим Оборотным заемщиком США в момент его возникновения или конверсии.

Канадский возобновляемый заем означает Возобновляемый заем, предоставленный канадскому заемщику.

Внутренняя база заимствований означает в любой момент расчета сумму, равную:

долларовый эквивалент в иностранной валюте имеет значение, указанное в Разделе 312 (f).

Возобновляемый кредитный риск в долларах означает, в отношении любого Кредитора в любое время, сумму непогашенной основной суммы Синдицированных займов такого Кредитора, а также его подверженность риску аккредитива и подверженность колебаниям, сделанную или понесенную в это время в соответствии с долларовыми обязательствами .

Зачем снижать реактивную мощность? Больше мощности — меньше меди

Какие типы реактивной мощности бывают?

Индуктивная реактивная мощность

Двигатели, трансформаторы и устройства управления являются индуктивными нагрузками.При индуктивных нагрузках требуется питание для намагничивающих катушек. Эта мощность называется индуктивной реактивной мощностью. Мы называем векторную сумму активной мощности (P) и индуктивной реактивной мощности (Q1) полной мощностью (S1). В этом примере полная мощность носит индуктивный характер.

Емкостная реактивная мощность

Конденсаторы в электронном оборудовании и длинные кабели представляют собой емкостные нагрузки. При емкостных нагрузках для зарядки этой емкости требуется мощность. Эта мощность называется емкостной реактивной мощностью.Векторная сумма фактической мощности (P) и емкостной реактивной мощности (Q1) называется полной мощностью (S1). В этом примере полная мощность носит емкостной характер. Посмотрите, какие системы компенсации снижают индуктивную и емкостную реактивную мощность.

Степень, в которой энергия используется для индуктивной и емкостной реактивной мощности, обозначается cos-phi. В международном масштабе это называется коэффициентом смещения мощности (dPF). Это соотношение между фактической и полной мощностью основной составляющей (составляющей 50 Гц).

Гармоническая реактивная мощность

В современных установках все больше и больше нелинейных нагрузок. Примерами этого являются, например, выпрямители (блоки питания ноутбуков, серверы) и инверторы в современных ИБП и преобразователях частоты. Характерной чертой нелинейной нагрузки является то, что используемый ток больше не является синусоидальным. Мы также называем искажение тока, возникающее в результате этого гармонического искажения.

Дополнительная мощность, возникающая в результате гармонических искажений, — это то, что мы называем гармонической реактивной мощностью (Qh).Эта реактивная мощность не является ни индуктивной, ни емкостной. Вот почему мы наносим гармоническую реактивную мощность на третью ось, так называемую ось z. Векторная сумма реальной мощности (P) и гармонической слепой мощности (Qh) — опять же — называется полной мощностью (S).

Комбинация видов реактивной мощности

Практика показывает сочетание разных видов реактивной мощности. В приведенном ниже примере возникает гармоническая реактивная мощность, а преобладает индуктивная реактивная мощность.

Запомните:

Коэффициент смещения мощности (dPF или cos-phi) — это отношение фактической мощности в (кВт) к полной мощности основной составляющей 50 Гц.Если гармоники отсутствуют, общий коэффициент мощности (PF) равен коэффициенту мощности смещения (dPF).

Коэффициент мощности (PF) — это соотношение между фактической и полной мощностью при любых обстоятельствах.

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ — прикладное промышленное электричество

Рисунок 6.1 Чисто резистивная цепь переменного тока: напряжение и ток резистора совпадают по фазе.

Если бы мы изобразили ток и напряжение для очень простой цепи переменного тока, состоящей из источника и резистора (рисунок выше), это выглядело бы примерно так: (рисунок ниже)

Рисунок 6.2 Напряжение и ток «синфазны» для резистивной цепи.

Поскольку резистор просто и напрямую сопротивляется протеканию тока во все периоды времени, форма волны падения напряжения на резисторе точно совпадает по фазе с формой волны тока через него. Мы можем посмотреть в любой момент времени вдоль горизонтальной оси графика и сравнить эти значения тока и напряжения друг с другом (любой «снимок», показывающий значения волны, обозначается как мгновенных значений , то есть значения при этом момент времени ).Когда мгновенное значение тока равно нулю, мгновенное напряжение на резисторе также равно нулю. Аналогичным образом, в момент времени, когда ток через резистор находится на своем положительном пике, напряжение на резисторе также находится на своем положительном пике, и так далее. В любой момент времени на волнах закон Ома справедлив для мгновенных значений напряжения и тока.

Мы также можем рассчитать мощность, рассеиваемую этим резистором, и нанести эти значения на тот же график: (рисунок ниже)

Рисунок 6.3 Мгновенная мощность переменного тока в чисто резистивной цепи всегда положительная.

Резисторы и индукторы

Катушки индуктивности ведут себя иначе, чем резисторы. В то время как резисторы просто противодействуют протеканию тока через них (снижая напряжение, прямо пропорциональное току), катушки индуктивности противодействуют изменениям тока через них, понижая напряжение, прямо пропорциональное скорости изменения тока. В соответствии с законом Ленца , это индуцированное напряжение всегда имеет такую ​​полярность, чтобы поддерживать ток на его текущем уровне.То есть, если ток увеличивается по величине, индуцированное напряжение будет «противодействовать» току; если ток уменьшается, полярность изменится на противоположную и «подтолкнет» ток, чтобы противодействовать уменьшению. Это противодействие текущему изменению называется реактивным сопротивлением , а не сопротивлением. Выражаясь математически, соотношение между падением напряжения на катушке индуктивности и скоростью изменения тока через катушку индуктивности выглядит следующим образом:

[латекс] e = L \ frac {d_i} {d_t} [/ латекс]

Переменный ток в простой индуктивной цепи

Выражение di / dt — это выражение из расчетов, означающее скорость изменения мгновенного тока (i) во времени в амперах в секунду.Индуктивность (L) измеряется в Генри, а мгновенное напряжение (е), конечно, выражается в вольтах. Иногда вы можете встретить скорость мгновенного напряжения, выраженную как «v» вместо «e» (v = L di / dt), но это означает то же самое. Чтобы показать, что происходит с переменным током, давайте проанализируем простую цепь индуктивности:

Рисунок 6.4 Чистая индуктивная цепь: ток индуктора отстает от напряжения индуктора на 90 °.

Если бы мы изобразили ток и напряжение для этой очень простой схемы, это выглядело бы примерно так:

Рисунок 6.5 Чистая индуктивная цепь, формы сигналов.

Помните, что падение напряжения на катушке индуктивности является реакцией на изменение тока через нее. Следовательно, мгновенное напряжение равно нулю всякий раз, когда мгновенный ток достигает пика (нулевое изменение или наклон уровня на синусоидальной волне тока), а мгновенное напряжение находится на пике везде, где мгновенный ток имеет максимальное изменение (точки самый крутой наклон на текущей волне, где она пересекает нулевую линию).Это приводит к появлению волны напряжения, сдвинутой по фазе на 90 ° с волной тока. Глядя на график, кажется, что волна напряжения имеет «фору» по сравнению с волной тока; напряжение «опережает» ток, а ток «отстает» от напряжения.

Ток отстает от напряжения на 90 ° в чисто индуктивной цепи.

Все становится еще интереснее, когда мы строим график мощности для этой схемы:

Рисунок 6.6 В чисто индуктивной цепи мгновенная мощность может быть положительной или отрицательной.

Поскольку мгновенная мощность является произведением мгновенного напряжения и мгновенного тока (p = ie), мощность равна нулю, когда мгновенный ток или напряжение равно нулю. Если мгновенный ток и напряжение положительные (над линией), мощность положительная. Как и в случае с резистором, мощность также положительна, когда мгновенные ток и напряжение отрицательны (ниже линии). Однако, поскольку волны тока и напряжения сдвинуты по фазе на 90 °, бывают моменты, когда одна положительная, а другая отрицательная, что приводит к одинаково частым случаям отрицательной мгновенной мощности .

Что такое отрицательная сила?

Но что означает отрицательная мощность ? Это означает, что катушка индуктивности возвращает мощность в цепь, в то время как положительная мощность означает, что она поглощает мощность из цепи. Поскольку положительные и отрицательные циклы мощности равны по величине и продолжительности с течением времени, индуктор возвращает обратно в цепь столько же мощности, сколько потребляет в течение полного цикла. В практическом смысле это означает, что реактивное сопротивление катушки индуктивности рассеивает нулевую полезную энергию, в отличие от сопротивления резистора, который рассеивает энергию в виде тепла.Имейте в виду, это только для идеальных катушек индуктивности, у которых нет сопротивления провода.

Реактивность в зависимости от сопротивления

Противодействие катушки индуктивности изменению тока означает противодействие переменному току в целом, который по определению всегда изменяется по мгновенной величине и направлению. Это противодействие переменному току аналогично сопротивлению, но отличается тем, что всегда приводит к сдвигу фаз между током и напряжением и рассеивает нулевую мощность. Из-за различий он имеет другое название: реактивное сопротивление .Реактивное сопротивление по переменному току выражается в омах, как и сопротивление, за исключением того, что его математическим символом является X вместо R. Чтобы быть конкретным, реактивное сопротивление, связанное с катушкой индуктивности, обычно обозначается заглавной буквой X с буквой L в качестве нижнего индекса, например это: X _L .

Поскольку напряжение на катушках индуктивности падает пропорционально скорости изменения тока, они будут снижать большее напряжение при более быстром изменении тока и меньшее напряжение при более медленном изменении тока. Это означает, что реактивное сопротивление в Ом для любой катушки индуктивности прямо пропорционально частоте переменного тока.Точная формула для определения реактивного сопротивления выглядит следующим образом:

[латекс] X_L = 2πfL [/ латекс]

Если мы подвергнем индуктор 10 мГн воздействию частот 60, 120 и 2500 Гц, он проявит реактивные сопротивления, указанные в таблице ниже.

Реактивное сопротивление индуктора 10 мГн:

Таблица 6.1 Реактивное сопротивление индуктора 10 мГн

Частота (Герцы)	Реактивное сопротивление (Ом)
60	3.7699
120	7,5398
2500	157.0796

В уравнении реактивного сопротивления термин «2πf» (все в правой части, кроме L) имеет особое значение. Это количество радианов в секунду, на которое «вращается» переменный ток, если вы представите себе один цикл переменного тока, представляющий вращение полного круга. радиан — это единица измерения угла: в одном полном круге 2π радиана, так же как в полном круге 360 °.Если генератор переменного тока является двухполюсным, он будет производить один цикл на каждый полный оборот вала, что составляет каждые 2π радиан или 360 °. Если эту константу 2π умножить на частоту в герцах (циклов в секунду), результатом будет число в радианах в секунду, известное как угловая скорость системы переменного тока.

Угловая скорость в системах переменного тока

Угловая скорость может быть представлена ​​выражением 2πf или ее собственным символом — строчной греческой буквой омега, которая похожа на нашу строчную римскую букву «w»: ω.Таким образом, формула реактивного сопротивления X _L = 2πfL также может быть записана как X _L = ωL.

Следует понимать, что эта «угловая скорость» является выражением того, насколько быстро колеблются колебания переменного тока, полный цикл равен 2π радиан. Это не обязательно отражает фактическую скорость вала генератора переменного тока. Если генератор имеет более двух полюсов, угловая скорость будет кратной скорости вала. По этой причине ω иногда выражается в единицах электрических радиан в секунду, а не в (простых) радианах в секунду, чтобы отличить его от механического движения.

Как бы мы ни выразили угловую скорость системы, очевидно, что она прямо пропорциональна реактивному сопротивлению в катушке индуктивности. По мере увеличения частоты (или скорости вала генератора переменного тока) в системе переменного тока катушка индуктивности будет оказывать большее сопротивление прохождению тока, и наоборот. Переменный ток в простой индуктивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на индуктивное реактивное сопротивление (в омах), точно так же, как переменный или постоянный ток в простой резистивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на сопротивление (в Ом).Пример схемы показан здесь:

Индуктивное сопротивление

(Индуктивное сопротивление индуктора 10 мГн при 60 Гц)

[латекс] X_L = 3,7600 Ом [/ латекс]

[латекс] I_ {X_ {L}} = \ frac {E} {X} [/ latex]

[латекс] = \ frac {10 В} {3,7600 Ом} [/ латекс]

[латекс] \ mathbf {= 2.6526A} [/ латекс]

Фазовые углы

Однако нужно иметь в виду, что здесь напряжение и ток не совпадают по фазе. Как было показано ранее, напряжение имеет фазовый сдвиг + 90 ° по отношению к току.Если мы представим эти фазовые углы напряжения и тока математически в виде комплексных чисел, мы обнаружим, что сопротивление катушки индуктивности току также имеет фазовый угол:

[латекс] \ text {Opposition} = \ frac {\ text {Voltage}} {\ text {Current}} [/ latex]

[латекс] \ text {Opposition} = \ frac {10 V \ angle \ text {90 °}} {2.6526A \ angle \ text {90 °}} [/ латекс]

[латекс] \ begin {align} \ text {Opposition} = & 3.7699 \ Omega \ angle \ text {90 °} \\ \ text {или} & 0 + j3.7699 \ Omega \ end {align} [/ latex]

Математически мы говорим, что фазовый угол сопротивления катушки индуктивности току равен 90 °, что означает, что сопротивление катушки индуктивности току является положительной мнимой величиной. Этот фазовый угол реактивного противодействия току становится критически важным при анализе цепей, особенно для сложных цепей переменного тока, где реактивное сопротивление и сопротивление взаимодействуют. Будет полезно представить любое сопротивление компонента току в терминах комплексных чисел, а не скалярных величин сопротивления и реактивного сопротивления.

• Индуктивное реактивное сопротивление — это противодействие, которое индуктор предлагает переменному току из-за сдвинутого по фазе накопления и высвобождения энергии в его магнитном поле. Реактивное сопротивление обозначается заглавной буквой «X» и измеряется в омах, как и сопротивление (R).
• Индуктивное реактивное сопротивление можно рассчитать по следующей формуле: X _L = 2πfL
• Угловая скорость цепи переменного тока — это еще один способ выразить ее частоту в единицах электрических радиан в секунду вместо циклов в секунду.Его символизирует строчная греческая буква «омега» или ω.
• Индуктивное реактивное сопротивление увеличивается на с увеличением частоты. Другими словами, чем выше частота, тем сильнее она противодействует потоку электронов переменного тока.

Возьмем эту схему в качестве примера для работы:

Цепь индуктивности последовательного резистора : ток отстает от приложенного напряжения от 0 ° до 90 °.

Резистор будет обеспечивать сопротивление 5 Ом переменному току независимо от частоты, а катушка индуктивности — 3 Ом.Реактивное сопротивление 7699 Ом на переменный ток при 60 Гц.

Поскольку сопротивление резистора является действительным числом (5 Ом 0 ° или 5 + j0 Ом), а реактивное сопротивление катушки индуктивности — мнимым числом (3,7699 Ом ∠ 90 ° или 0 + j3,7699 Ом), совокупный эффект двух компонентов будет противодействовать току, равному комплексной сумме двух чисел.

Это комбинированное противодействие будет векторной комбинацией сопротивления и реактивного сопротивления. Чтобы выразить это противопоставление лаконично, нам нужен более полный термин для обозначения сопротивления току, чем просто сопротивление или реактивное сопротивление.

Этот термин называется импеданс , его символ — Z, и он также выражается в омах, как сопротивление и реактивное сопротивление. В приведенном выше примере полное сопротивление цепи составляет:

Сопротивление по закону Ома

Импеданс связан с напряжением и током, как и следовало ожидать, аналогично сопротивлению в законе Ома:

На самом деле, это гораздо более полная форма закона Ома, чем то, чему учили в электронике постоянного тока (E = IR), так же как импеданс является гораздо более полным выражением сопротивления потоку тока, чем сопротивление. Любое сопротивление и любое реактивное сопротивление, по отдельности или в комбинации (последовательно / параллельно), могут и должны быть представлены как единый импеданс в цепи переменного тока.

Чтобы рассчитать ток в приведенной выше схеме, нам сначала нужно задать опорный фазовый угол для источника напряжения, который обычно принимается равным нулю. (Фазовые углы резистивного и индуктивного импеданса равны , всегда 0 ° и + 90 °, соответственно, независимо от заданных фазовых углов для напряжения или тока).

Как и в чисто индуктивной схеме, волна тока отстает от волны напряжения (источника), хотя на этот раз запаздывание не так велико: всего 37,016 ° по сравнению с полными 90 °, как в случае чисто индуктивного схема.

Ток отстает от напряжения в последовательной цепи L-R.

Для резистора и катушки индуктивности соотношение фаз между напряжением и током не изменилось.Напряжение на резисторе синфазно (сдвиг 0 °) с током через него, а напряжение на катушке индуктивности на + 90 ° не совпадает по фазе с током, проходящим через него. Мы можем проверить это математически:

Напряжение на резисторе имеет тот же фазовый угол, что и ток через него, что говорит нам о том, что E и I находятся в фазе (только для резистора).

Напряжение на катушке индуктивности имеет фазовый угол 52.984 °, в то время как ток через катушку индуктивности имеет фазовый угол -37,016 °, разница между ними составляет ровно 90 °. Это говорит нам о том, что E и I все еще не совпадают по фазе на 90 ° (только для катушки индуктивности).

Используйте закон Кирхгофа о напряжении

Мы также можем математически доказать, что эти комплексные значения в сумме составляют общее напряжение, как и предсказывает закон Кирхгофа:

Давайте возьмем те же компоненты для нашей схемы последовательного примера и подключим их параллельно:

Рисунок 6.7 Параллельная цепь R-L.

Поскольку источник питания имеет ту же частоту, что и схема последовательного примера, а резистор и катушка индуктивности имеют одинаковые значения сопротивления и индуктивности, соответственно, они также должны иметь одинаковые значения импеданса. Итак, мы можем начать нашу таблицу анализа с тех же «заданных» значений:

Таблица 6.2 Таблица анализа импеданса 1

Единственная разница в нашей методике анализа на этот раз состоит в том, что мы будем применять правила для параллельных цепей вместо правил для последовательных цепей.Принцип такой же, как и для DC. Мы знаем, что напряжение распределяется равномерно между всеми компонентами в параллельной цепи, поэтому мы можем передать значение общего напряжения (10 вольт 0 °) на все столбцы компонентов:

Таблица 6.3. Таблица анализа импеданса 2

Теперь мы можем применить закон Ома (I = E / Z) по вертикали к двум столбцам таблицы, рассчитав ток через резистор и ток через катушку индуктивности:

Таблица 6.4 Таблица анализа импеданса 3

Как и в случае цепей постоянного тока, токи ответвления в параллельной цепи переменного тока складываются, чтобы сформировать общий ток (Закон Кирхгофа по току все еще сохраняется для переменного тока, как и для постоянного тока):

Таблица 6.5 Таблица анализа импеданса 4

Наконец, общий импеданс можно рассчитать, используя закон Ома (Z = E / I) по вертикали в столбце «Всего». Между прочим, параллельный импеданс также можно рассчитать, используя обратную формулу, идентичную той, которая используется при вычислении параллельных сопротивлений.

[латекс] \ tag {6.1} Z_ {parallel} = \ frac {1} {\ frac {1} {Z_1} + \ frac {1} {Z_2} + \ dots \ frac {1} {Z_n}} [ / латекс]

Единственная проблема с использованием этой формулы заключается в том, что она обычно требует большого количества нажатий клавиш калькулятора.И если вы полны решимости использовать такую ​​формулу, как эта «от руки», будьте готовы к очень большому объему работы! Но, как и в случае с цепями постоянного тока, у нас часто есть несколько вариантов расчета величин в наших таблицах анализа, и этот пример ничем не отличается. Независимо от того, каким способом вы рассчитываете полное сопротивление (закон Ома или обратная формула), вы получите одно и то же значение:

Таблица 6.6 Таблица анализа импеданса 5

• Импедансами (Z) управляют так же, как сопротивлениями (R) при анализе параллельной цепи: параллельные импедансы уменьшаются, образуя общий импеданс, с использованием обратной формулы.Только обязательно выполняйте все вычисления в сложной (не скалярной) форме!

[латекс] Z_ {parallel} = \ frac {1} {(\ frac {1} {Z1} + \ frac {1} {Z2} +… \ Frac {1} {Zn})} [/ латекс]

• Закон Ома для цепей переменного тока:

[латекс] E = {I} {Z} [/ латекс]; [латекс] I = \ frac {E} {Z} [/ latex]; [латекс] Z = \ frac {E} {I} [/ latex]

• Когда резисторы и катушки индуктивности смешаны вместе в параллельных цепях (так же, как в последовательных цепях), общий импеданс будет иметь фазовый угол где-то между 0 ° и + 90 °.Ток в цепи будет иметь фазовый угол где-то между 0 ° и -90 °.
• Параллельные цепи переменного тока обладают теми же фундаментальными свойствами, что и параллельные цепи постоянного тока: напряжение равномерно по всей цепи, токи ответвления складываются, чтобы сформировать общий ток, а импедансы уменьшаются (по обратной формуле), чтобы сформировать общий импеданс.

В идеальном случае индуктор действует как чисто реактивное устройство. То есть его противодействие переменному току строго основано на индуктивной реакции на изменения тока, а не на трении электронов, как в случае с резистивными компонентами.Однако индукторы не так чисты в своем реактивном поведении. Начнем с того, что они сделаны из проволоки, и мы знаем, что все проволоки обладают некоторой измеримой величиной сопротивления (кроме сверхпроводящей проволоки). Это встроенное сопротивление действует так, как если бы оно было подключено последовательно с идеальной индуктивностью катушки, например:

Рисунок 6.8 Катушка индуктивности Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности.

Следовательно, полное сопротивление любой реальной катушки индуктивности всегда будет представлять собой сложную комбинацию сопротивления и индуктивного реактивного сопротивления.

Эту проблему усугубляет то, что называется скин-эффектом , который представляет собой тенденцию переменного тока проходить через внешние области поперечного сечения проводника, а не через середину. Когда электроны движутся в одном направлении (постоянный ток), они используют для движения всю площадь поперечного сечения проводника. С другой стороны, электроны, меняющие направление потока, стремятся избежать прохождения через самую середину проводника, ограничивая доступную эффективную площадь поперечного сечения. Скин-эффект становится более выраженным с увеличением частоты.

Кроме того, переменное магнитное поле индуктора, питаемого переменным током, может излучаться в космос как часть электромагнитной волны, особенно если переменный ток имеет высокую частоту. Эта излучаемая энергия не возвращается к катушке индуктивности и поэтому проявляется в виде сопротивления (рассеяния мощности) в цепи.

Помимо резистивных потерь в проводе и излучения, в индукторах с железным сердечником действуют и другие эффекты, которые проявляются как дополнительное сопротивление между выводами.Когда на катушку индуктивности подается переменный ток, создаваемые переменные магнитные поля имеют тенденцию индуцировать циркулирующие токи в железном сердечнике, известные как вихревые токи . Эти электрические токи в железном сердечнике должны преодолевать электрическое сопротивление, обеспечиваемое железом, который не так хорош в качестве проводника, как медь. Вихретоковым потерям в первую очередь противодействуют, разделив железный сердечник на множество тонких листов (пластин), каждый из которых отделен от другого тонким слоем электроизоляционного лака.Поскольку поперечное сечение сердечника разделено на множество электрически изолированных участков, ток не может циркулировать в пределах этой площади поперечного сечения, и из-за этого не будет (или будет очень мало) резистивных потерь.

Как и следовало ожидать, потери на вихревые токи в металлических сердечниках индуктора проявляются в виде тепла. Эффект более выражен на высоких частотах и ​​может быть настолько сильным, что иногда его используют в производственных процессах для нагрева металлических предметов! Фактически, этот процесс «индукционного нагрева» часто используется в процессах литья металлов высокой чистоты, где металлические элементы и сплавы должны нагреваться в вакууме, чтобы избежать загрязнения воздухом, и, таким образом, там, где стандартная технология нагрева сжиганием была бы бесполезной.Это «бесконтактная» технология, когда нагретое вещество не должно касаться катушки (катушек), создающей магнитное поле.

В высокочастотной среде вихревые токи могут возникать даже в поперечном сечении самого провода, способствуя возникновению дополнительных резистивных эффектов. Чтобы противодействовать этой тенденции, можно использовать специальный провод, сделанный из очень тонких, индивидуально изолированных жил, который называется Litz wire (сокращенно от Litzendraht ). Изоляция, отделяющая жилы друг от друга, предотвращает циркуляцию вихревых токов по всей площади поперечного сечения провода.

Кроме того, любой магнитный гистерезис, который необходимо преодолевать при каждом изменении направления магнитного поля индуктора, представляет собой расход энергии, который проявляется в виде сопротивления в цепи. Некоторые материалы сердечника (например, феррит) особенно известны своим гистерезисным эффектом. Противодействовать этому эффекту лучше всего за счет правильного выбора материала сердечника и ограничения пиковой напряженности магнитного поля, генерируемой в каждом цикле.

В целом паразитные резистивные свойства реального индуктора (сопротивление провода, радиационные потери, вихревые токи и гистерезисные потери) выражаются одним термином «эффективное сопротивление»:

Рисунок 6.9 Эквивалентная схема реального индуктора с потерями на скин-эффект, излучение, вихревые токи и гистерезис.

Следует отметить, что скин-эффект и потери на излучение применимы к прямым отрезкам провода в цепи переменного тока так же хорошо, как и к спиральному проводу. Обычно их совокупный эффект слишком мал, чтобы его можно было заметить, но на радиочастотах они могут быть довольно большими. Например, антенна радиопередатчика спроектирована специально для рассеивания наибольшего количества энергии в виде электромагнитного излучения.

Конденсаторы Vs. Резисторы

Конденсаторы не ведут себя так же, как резисторы. В то время как резисторы пропускают через себя поток электронов, прямо пропорциональный падению напряжения, конденсаторы противодействуют изменениям напряжения, потребляя или подавая ток при зарядке или разрядке до нового уровня напряжения. Поток электронов «через» конденсатор прямо пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе. Это противодействие изменению напряжения представляет собой еще одну форму реактивного сопротивления , но оно прямо противоположно тому, которое демонстрируют индукторы.

Характеристики цепи конденсатора

Выражаясь математически, соотношение между током, протекающим через конденсатор, и скоростью изменения напряжения на конденсаторе как таковое:

[латекс] i = C \ frac {d_e} {d_t} [/ латекс]

Выражение de / dt — это выражение из расчетов, означающее скорость изменения мгновенного напряжения (e) во времени в вольтах в секунду. Емкость (C) выражается в фарадах, а мгновенный ток (i), конечно, выражается в амперах.Иногда скорость мгновенного изменения напряжения с течением времени выражается как dv / dt вместо de / dt: вместо напряжения используется строчная буква «v» или «e», но это означает то же самое. Чтобы показать, что происходит с переменным током, давайте проанализируем простую схему конденсатора:

Рисунок 6.10 Чистая емкостная цепь: напряжение конденсатора отстает от тока конденсатора на 90 °

Если бы мы изобразили ток и напряжение для этой очень простой схемы, это выглядело бы примерно так:

Рисунок 6.11 Формы сигналов чисто емкостной цепи.

Помните, что ток через конденсатор — это реакция на изменение напряжения на нем. Следовательно, мгновенный ток равен нулю всякий раз, когда мгновенное напряжение находится на пике (нулевое изменение или наклон уровня на синусоидальной волне напряжения), а мгновенный ток находится на пике везде, где мгновенное напряжение имеет максимальное изменение (точки самый крутой наклон на волне напряжения, где она пересекает нулевую линию).Это приводит к появлению волны напряжения, которая на -90 ° не совпадает по фазе с волной тока. Глядя на график, кажется, что волна тока имеет «фору» по сравнению с волной напряжения; ток «опережает» напряжение, а напряжение «отстает» от тока.

Рисунок 6.12 Напряжение отстает от тока на 90 ° в чисто емкостной цепи.

Как вы могли догадаться, та же необычная волна мощности, которую мы видели в простой цепи индуктивности, присутствует и в простой цепи конденсатора:

Рисунок 6.13 В чисто емкостной цепи мгновенная мощность может быть положительной или отрицательной.

Как и в случае с простой схемой индуктивности, сдвиг фазы на 90 градусов между напряжением и током приводит к появлению волны мощности, которая в равной степени чередуется между положительной и отрицательной полярностью. Это означает, что конденсатор не рассеивает мощность, поскольку он реагирует на изменения напряжения; он просто поочередно поглощает и высвобождает энергию.

Реактивное сопротивление конденсатора

Противодействие конденсатора изменению напряжения переводится в противодействие переменному напряжению в целом, которое по определению всегда изменяется по мгновенной величине и направлению.Для любой данной величины переменного напряжения на данной частоте конденсатор данного размера будет «проводить» определенную величину переменного тока. Точно так же, как ток через резистор является функцией напряжения на резисторе и сопротивления, предлагаемого резистором, переменный ток через конденсатор является функцией переменного напряжения на нем и реактивного сопротивления , обеспечиваемого конденсатором. Как и в случае катушек индуктивности, реактивное сопротивление конденсатора выражается в омах и обозначается буквой X (или, если точнее, X _C ).

Поскольку конденсаторы «проводят» ток пропорционально скорости изменения напряжения, они будут пропускать больше тока при более быстром изменении напряжения (поскольку они заряжаются и разряжаются до тех же пиков напряжения за меньшее время) и меньший ток при более медленном изменении напряжения. . Это означает, что реактивное сопротивление в Ом для любого конденсатора равно обратно пропорционально частоте переменного тока.

[латекс] X_C = \ frac {1} {2πfC} [/ латекс]

Реактивное сопротивление конденсатора 100 мкФ:

Частота (Герцы)	Реактивное сопротивление (Ом)
60	26.5258
120	13,2629
2500	0,6366

Обратите внимание, что отношение емкостного реактивного сопротивления к частоте прямо противоположно отношению индуктивного реактивного сопротивления. Емкостное реактивное сопротивление (в омах) уменьшается с увеличением частоты переменного тока. И наоборот, индуктивное реактивное сопротивление (в омах) увеличивается с увеличением частоты переменного тока. Индукторы противодействуют более быстрому изменению токов, создавая большие падения напряжения; Конденсаторы противодействуют более быстрому изменению падений напряжения, допуская большие токи.

Как и в случае с индукторами, член 2πf в уравнении реактивного сопротивления может быть заменен строчной греческой буквой Омега (ω), которая обозначается как угловая скорость цепи переменного тока. Таким образом, уравнение X _C = 1 / (2πfC) также может быть записано как X _C = 1 / (ωC), с приведением ω в единицах радиан в секунду .

Переменный ток в простой емкостной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на емкостное реактивное сопротивление (в омах), точно так же, как переменный или постоянный ток в простой резистивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на сопротивление (в Ом).Следующая схема иллюстрирует это математическое соотношение на примере:

Емкостное реактивное сопротивление.

[латекс] X_C = 26,5258 Ом [/ латекс]

[латекс] I = \ frac {E} {X} [/ латекс]

[латекс] I = \ frac {10} {26,5258 Ом} [/ латекс]

[латекс] I = 0,3770A [/ латекс]

Однако нужно иметь в виду, что здесь напряжение и ток не совпадают по фазе. Как было показано ранее, ток имеет фазовый сдвиг + 90 ° по отношению к напряжению.Если мы математически представим эти фазовые углы напряжения и тока, мы сможем вычислить фазовый угол реактивного сопротивления конденсатора току.

Напряжение в конденсаторе отстает от тока на 90 °.

Математически мы говорим, что фазовый угол сопротивления конденсатора току равен -90 °, что означает, что сопротивление конденсатора току является отрицательной мнимой величиной. (См. Рисунок выше.) Этот фазовый угол реактивного противодействия току становится критически важным при анализе цепей, особенно для сложных цепей переменного тока, где реактивное сопротивление и сопротивление взаимодействуют.Будет полезно представить любое сопротивление компонента току в виде комплексных чисел, а не только скалярных величин сопротивления и реактивного сопротивления.

• Емкостное реактивное сопротивление — это противодействие, которое конденсатор предлагает переменному току из-за сдвинутого по фазе накопления и высвобождения энергии в его электрическом поле. Реактивное сопротивление обозначается заглавной буквой «X» и измеряется в омах, как и сопротивление (R).
• Емкостное реактивное сопротивление можно рассчитать по следующей формуле: XC = 1 / (2πfC)
• Емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты .Другими словами, чем выше частота, тем меньше он противодействует (тем больше «проводит») переменному току.

Используя компоненты с одинаковыми значениями в нашей схеме последовательного примера, мы подключим их параллельно и посмотрим, что произойдет:

Рисунок 6.14 Параллельная цепь RC.

Параллельный резистор и конденсатор

Поскольку источник питания имеет ту же частоту, что и схема последовательного примера, а резистор и конденсатор имеют одинаковые значения сопротивления и емкости, соответственно, они также должны иметь одинаковые значения импеданса.Итак, мы можем начать нашу таблицу анализа с тех же «заданных» значений:

Таблица 6.7

Сейчас это параллельная схема, мы знаем, что напряжение распределяется поровну между всеми компонентами, поэтому мы можем поместить цифру для общего напряжения (10 вольт 0 °) во все столбцы:

Таблица 6.8 Расчет

по закону Ома

Теперь мы можем применить закон Ома (I = E / Z) по вертикали к двум столбцам таблицы, вычислив ток через резистор и ток через конденсатор:

Таблица 6.9

Так же, как и в цепях постоянного тока, токи ответвления в параллельной цепи переменного тока складываются в общий ток (снова Закон Кирхгофа):

Таблица 6.10

Наконец, общий импеданс можно рассчитать с помощью закона Ома (Z = E / I) по вертикали в столбце «Всего». Как мы видели в главе об индуктивности переменного тока, параллельный импеданс также можно рассчитать, используя обратную формулу, идентичную той, которая используется при вычислении параллельных сопротивлений. Следует отметить, что это правило параллельного импеданса остается в силе независимо от типа импедансов, подключенных параллельно.Другими словами, не имеет значения, рассчитываем ли мы схему, состоящую из параллельных резисторов, параллельных катушек индуктивности, параллельных конденсаторов или какой-либо их комбинации: в форме импедансов (Z) все термины являются общими и могут применяться равномерно по той же формуле. И снова формула параллельного импеданса выглядит так:

[латекс] Z_ {parallel} = \ frac {1} {\ frac {1} {Z_1} + \ frac {1} {Z_2} + \ dots \ frac {1} {Z_n}} [/ латекс]

Единственным недостатком использования этого уравнения является значительный объем работы, необходимой для его вычисления, особенно без помощи калькулятора, способного манипулировать сложными величинами.Независимо от того, как мы рассчитываем полное сопротивление для нашей параллельной цепи (закон Ома или обратная формула), мы придем к той же цифре:

• Импедансами (Z) управляют так же, как сопротивлениями (R) при анализе параллельной цепи: параллельные импедансы уменьшаются, образуя общий импеданс, с использованием обратной формулы. Только не забудьте
  • выполнять все вычисления в сложной (не скалярной) форме! ZTotal = 1 / (1 / Z1 + 1 / Z2 +.. 1 / Zn)
  • Закон Ома для цепей переменного тока: E = IZ; I = E / Z; Z = E / I
  • Когда резисторы и конденсаторы смешиваются вместе в параллельных цепях (так же, как в последовательных цепях), общий импеданс будет иметь фазовый угол где-то между 0 ° и -90 °.Ток в цепи будет иметь фазовый угол от 0 ° до + 90 °.
  • Параллельные цепи переменного тока обладают теми же фундаментальными свойствами, что и параллельные цепи постоянного тока: напряжение равномерно по всей цепи, токи ответвления складываются, чтобы сформировать общий ток, а импедансы уменьшаются (по обратной формуле), чтобы сформировать общий импеданс.

(Следующий раздел был адаптирован из: Уроки электрических цепей, Том II, Глава 5 — Реактивное сопротивление и импеданс — R, L и C)

Прежде чем мы начнем исследовать влияние резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, соединенных вместе в одних и тех же цепях переменного тока, давайте кратко рассмотрим некоторые основные термины и факты.

Сопротивление

Это по сути трение против тока. В той или иной степени он присутствует во всех проводниках (кроме проводов super !), Особенно в резисторах. Когда переменный ток проходит через сопротивление, возникает падение напряжения, синфазное с током. Сопротивление математически обозначается буквой «R» и измеряется в омах (Ом).

Реактивное сопротивление

Это по сути инерция против тока.Он присутствует везде, где электрические или магнитные поля развиваются пропорционально приложенному напряжению или току, соответственно; но особенно в конденсаторах и катушках индуктивности. Когда переменный ток проходит через чистое реактивное сопротивление, возникает падение напряжения, которое на 90 ° не совпадает по фазе с током. Реактивное сопротивление математически обозначается буквой «X» и измеряется в омах (Ом).

Импеданс

Это исчерпывающее выражение любых форм противодействия протеканию тока, включая как сопротивление, так и реактивное сопротивление.Он присутствует во всех схемах и во всех компонентах. Когда переменный ток проходит через полное сопротивление, возникает падение напряжения, которое находится где-то между 0 ° и 90 ° не в фазе с током. Импеданс математически обозначается буквой «Z» и измеряется в единицах Ом (Ом) в сложной форме.

Идеальные резисторы обладают сопротивлением, но не реактивным сопротивлением. Идеальные катушки индуктивности и идеальные конденсаторы обладают реактивным сопротивлением, но не имеют сопротивления. Все компоненты обладают импедансом, и из-за этого универсального качества имеет смысл перевести все значения компонентов (сопротивление, индуктивность, емкость) в общие термины импеданса в качестве первого шага при анализе цепи переменного тока.

Рис. 6.15. Идеальный резистор, катушка индуктивности и конденсатор.

Фазовый угол импеданса для любого компонента — это фазовый сдвиг между напряжением на этом компоненте и током через этот компонент. Для идеального резистора падение напряжения и ток равны , всегда в фазе друг с другом, поэтому угол импеданса резистора считается равным 0 °. Для идеального индуктора падение напряжения всегда опережает ток на 90 °, поэтому фазовый угол импеданса индуктора равен + 90 °.Для идеального конденсатора падение напряжения всегда отстает от тока на 90 °, поэтому считается, что фазовый угол импеданса конденсатора составляет -90 °.

Полное сопротивление переменного тока ведет себя аналогично сопротивлению в цепях постоянного тока: они добавляются последовательно и уменьшаются параллельно. Пересмотренная версия закона Ома, основанная на импедансе, а не на сопротивлении, выглядит так:

Закон Ома для цепи переменного тока

[латекс] \ begin {align} \ tag {6.2} \ text {E} & = {I} {Z} \\ \ text {I} & = \ frac {E} {Z} \\ \ text {Z } & = \ frac {E} {I} \ end {align} [/ latex]

Мы можем взять те же компоненты из последовательной схемы и переставить их в параллельную конфигурацию для простого примера схемы:

Рисунок 6.16 Пример параллельной схемы R, L и C.

Импеданс в параллельных компонентах

Тот факт, что эти компоненты соединены параллельно, а не последовательно, теперь абсолютно не влияет на их индивидуальные импедансы. Пока источник питания имеет ту же частоту, что и раньше, индуктивное и емкостное сопротивление вообще не изменится.

Рисунок 6.17 Пример параллельной цепи R, L и C с импедансами, заменяющими значения компонентов.

Со всеми значениями компонентов, выраженными как импедансы (Z), мы можем настроить таблицу анализа и действовать, как в предыдущем примере задачи, за исключением того, что на этот раз следуя правилам параллельных цепей вместо последовательного.

Зная, что напряжение распределяется поровну между всеми компонентами в параллельной цепи, мы можем перенести цифру для общего напряжения во все столбцы компонентов в таблице:

Значения компонентов в таблице 6.11 выражаются в виде импеданса изображения 2

Теперь мы можем применить закон Ома (I = E / Z) по вертикали в каждом столбце, чтобы определить ток через каждый компонент:

Таблица 6.12. Значения компонентов выражаются как изображение импеданса 3

Расчет полного тока и полного импеданса

Существует две стратегии расчета общего тока и полного сопротивления.Во-первых, мы могли вычислить общий импеданс из всех отдельных параллельных сопротивлений (Z _Total = 1 / (1 / Z _R + 1 / Z _L + 1 / Z _C ), а затем вычислить общий ток путем деления напряжения источника на полное сопротивление (I = E / Z).

Однако работа с уравнением параллельного импеданса с комплексными числами — непростая задача, учитывая все взаимные колебания (1 / Z). Это особенно верно, если вам не повезло, что у вас нет калькулятора, который обрабатывает комплексные числа, и вы вынуждены делать все это вручную (преобразовать индивидуальные импедансы в полярную форму, затем преобразовать их все в прямоугольную форму для сложения, а затем преобразовать обратно в полярную форму для окончательной инверсии, затем инвертировать).Второй способ вычисления общего тока и полного импеданса — сложить все токи ответвления, чтобы получить общий ток (полный ток в параллельной цепи — переменного или постоянного тока — равен сумме токов ответвления), а затем использовать закон Ома. для определения полного сопротивления по общему напряжению и общему току (Z = E / I).

Таблица 6.13 Расчет полного тока и полного импеданса

Любой из методов, выполненный должным образом, даст правильные ответы.

За заметным исключением расчетов мощности (P), все расчеты цепей переменного тока основаны на тех же общих принципах, что и расчеты для цепей постоянного тока.Единственное существенное отличие состоит в том, что в расчетах переменного тока используются комплексные величины, в то время как в расчетах постоянного тока используются скалярные величины. Закон Ома, законы Кирхгофа и даже сетевые теоремы, изученные на постоянном токе, остаются верными для переменного тока, когда напряжение, ток и импеданс выражаются комплексными числами. Те же стратегии поиска и устранения неисправностей, которые применяются в цепях постоянного тока, справедливы и для переменного тока, хотя с переменным током, безусловно, труднее работать из-за фазовых углов, которые не регистрируются портативным мультиметром.

Власть — это отдельная тема, которая будет рассмотрена в отдельной главе этой книги. Поскольку мощность в реактивной цепи одновременно поглощается и высвобождается, а не просто рассеивается, как в случае с резисторами, ее математическая обработка требует более прямого применения тригонометрии для решения.

При анализе цепи переменного тока первым шагом в анализе является преобразование всех значений компонентов резистора, катушки индуктивности и конденсатора в импедансы (Z) в зависимости от частоты источника питания.После этого выполните те же шаги и стратегии, которые были изучены для анализа цепей постоянного тока, используя новую форму закона Ома: E = IZ; I = E / Z; и Z = E / I

Помните, что только рассчитанные значения, выраженные в полярной форме , применимы непосредственно к эмпирическим измерениям напряжения и тока. Прямоугольные обозначения — это просто полезный инструмент для сложения и вычитания сложных величин. Полярная запись, где величина (длина вектора) напрямую связана с величиной измеряемого напряжения или тока, а угол напрямую связан с фазовым сдвигом в градусах, является наиболее практичным способом выражения сложных величин для анализа схем.

Вольт-ампер, реактивная (ВАР) · База знаний по энергетике

VAR — это единица измерения реактивной мощности. VAR возникают, когда электрические токи переменного тока и напряжение не совпадают по фазе. Ток и напряжение не совпадают по фазе из-за определенных нагрузок, которым требуется реактивная мощность или ВАР. VAR производятся определенными типами генераторов, а также могут производиться другим оборудованием, таким как батареи конденсаторов, статические компенсаторы VAR (SVC) и интеллектуальные инверторы, расположенные в системе распределения или на объектах клиентов.

Основное использование электроэнергии — привод электродвигателей. Электродвигатели создают механическую энергию вращающегося вала, используя электроны для создания магнитного поля, которое заставляет вал вращаться. Электричество, которое намагничивает катушки, не работает и является реактивной мощностью. Действующая часть электрического тока называется реальной мощностью, которая измеряется в ваттах, киловаттах и ​​т. Д.

Полная мощность, которую должна обеспечивать электрическая система, называется полной мощностью, которая включает как реактивную, так и активную мощность.Коэффициент мощности измеряет отношение реальной мощности к полной:

Коэффициент мощности = фактическая мощность / полная мощность

Исторические электромеханические счетчики измеряют только реальную мощность, хотя электронные счетчики теперь могут измерять и то, и другое. Следовательно, коммунальные предприятия почти всегда выставляют счета только за реальную мощность, а не за кажущуюся мощность. Но коммунальное предприятие должно установить средства доставки, рассчитанные на передачу как реальной, так и реактивной мощности. Поскольку потребители, потребляющие большое количество реактивной мощности, заставляют коммунальное предприятие строить более крупные объекты, не получая за это денег, коммунальные предприятия предпочитают, чтобы у потребителей коэффициент мощности был как можно более близок к 1.0 насколько возможно.

Для промышленных потребителей коммунальные предприятия часто измеряют коэффициент мощности на счетчике и выставляют счет промышленным потребителям за отклонения коэффициента мощности за пределы допустимых диапазонов. Если эти расходы становятся слишком высокими, клиенты могут установить оборудование на своей стороне счетчика, чтобы лучше управлять своим коэффициентом мощности.

Разница между реальной мощностью, реактивной мощностью и полной мощностью

Истинная сила

Истинная мощность — это мощность, измеряемая в ваттах или киловаттах, используемая двигателями, осветительными приборами и другими устройствами для производства полезной работы или тепловой энергии.Истинная мощность — это резистивная часть цепи, которая выполняет работу. Истинная мощность может быть произведена только тогда, когда ток и напряжение одновременно положительны или отрицательны (см. Рисунок 1 ). Если ток и напряжение не совпадают по фазе, некоторые токи не производят полезной работы. Чисто резистивные схемы существуют только теоретически. В реальных ситуациях чисто резистивные цепи не существуют, потому что сами проводники цепи создают некоторую индуктивность и емкость.

Рисунок 1. Истинная мощность — это мощность в ваттах или киловаттах, используемая двигателями, осветительными приборами и другими устройствами для производства полезной работы или тепловой энергии.

Многие нагрузки в основном резистивные и вносят очень небольшой индуктивный и емкостной вклад. Эти нагрузки потребляют истинную мощность и измеряются в ваттах (Вт). Поэтому целесообразно обозначать в первую очередь резистивные нагрузки в ваттах или киловаттах и ​​игнорировать реактивную составляющую. Примерами резистивных нагрузок являются лампы накаливания, водонагреватели, тепловентиляторы, фены и кухонные плиты.У резистивных нагрузок очень маленькие реактивные компоненты. Следовательно, номинальная полная мощность (ВА) не подходит для этих нагрузок.

Реактивная мощность

Реактивная мощность — это мощность, измеряемая в ВАр или кВАр, выделяемая и сохраняемая конденсаторами и катушками индуктивности. Это мощность, которая течет обратно в источник от катушек индуктивности и конденсаторов. Именно эта противодействующая мощность влияет на коэффициент мощности цепи.

В цепи с реактивными компонентами напряжение и ток не в фазе.В индуктивных цепях ток отстает от напряжения (см. , рисунок 2, ). Мощность потребляется схемой в те моменты времени, когда напряжение и ток имеют одинаковое направление (как положительное, так и отрицательное). Питание возвращается к источнику, когда напряжение и ток не в одном направлении (одно положительное и одно отрицательное).

Рисунок 2. Реактивная мощность — это мощность в ВАр или кВАр, сохраняемая и выделяемая катушками индуктивности и конденсаторами.

Реактивная мощность возвращается в источник без потребления. Однако ток течет по цепи, чтобы обеспечить реактивную мощность. Провода, компоненты и устройства должны иметь такой размер, чтобы учесть увеличенный ток, протекающий от реактивной мощности.

Полная мощность

Полная мощность — это мощность в ВА или кВА, которая представляет собой векторную сумму истинной мощности и реактивной мощности. Полная мощность — это произведение общего тока и напряжения в цепи.Многие нагрузки включают реактивные компоненты. Полная мощность в ВА складывается из реальной мощности, потребляемой резистивными нагрузками, и реактивной мощности, протекающей через емкостные и индуктивные нагрузки. Распространенным типом индуктивной нагрузки является асинхронный двигатель. Индуктивные нагрузки имеют ток, отстающий от напряжения. Кроме того, многие схемы содержат гармоники. Гармоники влияют на полную мощность.

Рисунок 3. Полная мощность — это векторная сумма реальной и реактивной мощности

Для вычисления полной мощности используется следующее выражение:

$$ S = \ sqrt {{{P} ^ {2}} + {{Q} ^ {2}}} $$

, где S, P и Q обозначают полную мощность, истинную мощность и реактивную мощность соответственно.

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности (PF) — это отношение реальной мощности, используемой в цепи переменного тока, к полной мощности, подаваемой в цепь. Коэффициент мощности выражается в процентах. Он идеально подходит для проектирования системы с коэффициентом мощности 95%. Увеличение реактивной мощности (VAR) приводит к снижению коэффициента мощности. Уменьшение коэффициента мощности означает, что для выполнения работы используется больше энергии. Коммунальная компания часто наказывает потребителей за низкие коэффициенты мощности из-за потерь мощности.

Для расчета коэффициента мощности используйте формулу:

$$ PF = \ frac {{{P} _ {T}}} {{{P} _ {A}}} \ times 100 $$

PT = истинная мощность (Вт)

PA = полная мощность (ВА)

100 = константа (для преобразования десятичной дроби в проценты)

Трансформатор, работающий в режиме холостого хода, имеет низкий коэффициент мощности, поскольку схема является почти полностью реактивной. По мере увеличения нагрузки на трансформатор реактивное сопротивление уменьшается, а коэффициент мощности увеличивается. При полной нагрузке коэффициент мощности приближается к 1.

Номинальные характеристики трансформатора

Трансформаторы

рассчитаны на кВА, поскольку полная мощность представляет собой общую мощность (ток × напряжение), которую может выдать трансформатор. Полный однофазный ток полной нагрузки рассчитывается путем деления мощности на напряжение. Например, трансформатор 25 кВА может выдавать 104 А на нагрузку 1 φ при 240 В (25 000 ÷ 240 = 104 А). Техник должен убедиться, что нагрузка, подключенная к трансформатору, не превышает полного номинального тока трансформатора.

\ [\ begin {matrix} S = VI \ text {} & \ text {для однофазной} \\\ end {matrix} \]

\ [\ begin {matrix} S = \ sqrt {3} VI & \ text {For Three Phase} \\\ end {matrix} \]

Фактическая мощность, потребляемая нагрузкой, выражается в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт). Коэффициент мощности цепи можно рассчитать, разделив мощность в кВт, потребляемую нагрузкой, на мощность, подаваемую трансформатором.

\ [Мощность \ text {} Коэффициент = \ frac {P (Вт)} {S (ВА)} = \ frac {P (кВт)} {S (кВА)} \]

Познакомьтесь со своим измерителем мощности — что такое реальная, полная и реактивная мощность

Первый — простой вопрос

Верно или нет? Мощность = Напряжение x Ток, это утверждение верно для систем постоянного тока, но есть два основных осложнения для систем переменного тока.

• Значение тока и напряжения постоянно меняется. Какое значение вы используете?
• Напряжение и ток могут не совпадать по фазе. Умножая ток и напряжение, когда они не в фазе требует и регулировки для компенсации фазы. Именно этот фазовый сдвиг заставляет нас для определения реальной, полной и реактивной мощности.
• Этот фазовый сдвиг происходит, когда источник питания питает индуктивную или емкостную нагрузку ». Большинство нагрузок индуктивный (двигатели) или резистивный (нагреватели), поэтому фазовый сдвиг обычно составляет один направление.
• Двигатель имеет обмотку. Обмотанный проводник по существу определяет индуктор. Таким образом, обмотка представляет собой сопротивление намотанного провода и индуктивность обмотки.

Среднеквадратичное или эффективное значение

Пиковые значения на кривых переменного напряжения или тока сохраняются лишь на короткое время. Они не совсем представляют способность напряжения и тока выполнять работу и, следовательно, они не используются в Power Расчеты.Ученые используют статистический метод для определения эффективных значений. Это называется RMS или Среднеквадратичные значения. Результат определения таков: Veff / rms = 0,707 x V пиковое значение. То же самое применимо. СОВЕТ: Вы можете разумно предположить, что все напряжения и токи, сообщаемые измерителем мощности указаны как среднеквадратичные или эффективные значения, если не указано иное. СОВЕТ: Большинство мультиметров сообщают среднеквадратичные значения

.

Полная мощность

Полная мощность — это мощность, передаваемая источником питания такой нагрузке, как двигатель.Практически во всем реальном мире В ситуациях, когда используется переменный ток, вам необходимо подать на устройство больше мощности (кажущейся мощности), чем оно будет работать (Реальная мощность). (Векторная) разница между ними представляет работу, проделанную для преодоления индуктивного и Возможности воздействия нагрузки. Полная мощность измеряется в единицах ВА — Вольт-амперы. Это на самом деле Вт, но мы используем новое название единицы, чтобы избежать путаницы. Таким образом, когда вы видите VA на листе технических данных, вы можете разумно сделать вывод, что они говорят о кажущейся мощности.Полная мощность рассчитывается: S (Общий символ для полной мощности) = Veff / rms x Ieff / rms — однофазный расчет

Коэффициент мощности и фаза

Расчет коэффициента мощности: PF = косинус (фазовый угол в радианах) Коэффициент мощности не имеет технических единиц. значение PF колеблется от -1 до 0 до 1 (запаздывающая — нет — опережающая) Нагрузки, которые представляют только резистивную нагрузку (нет емкости или индуктивности) имеют коэффициент мощности 1. Индуктивная нагрузка

Фаза тока отстает от номинального напряжения — Трансформаторы и двигатели (намотанные проводники) Емкостные нагрузки

Фаза тока приводит к типичному напряжению — Скрытые кабели, конденсаторные батареи Нет ничего «неправильного» в коэффициент мощности не равен 1.0.

Реальная мощность и реактивная мощность

Думайте о реальной мощности как о полезной мощности — мере того, как много работы выполняется. Реальная мощность рассчитывается: P (реальная) = S (полная мощность) x pf Реактивная мощность — это (векторная) разница. между кажущейся мощностью и реальной мощностью. Энергия, используемая для производства реактивной мощности, хранится в магнитное / электрическое поле индуктивной нагрузки. В случае емкостной нагрузки магнитный / электрический Поле индуктивной нагрузки производит реактивную мощность.Реактивную мощность нельзя использовать для полезных целей. Реактивная мощность обозначается символом: Q Технические единицы реактивной мощности — VAR — вольт-амперы реактивной мощности. Это тоже ватты, но мы используем VAR. так что мы знаем, что говорим о реактивной мощности.

THD — Общее гармоническое искажение (также называемое искажением)

Проще говоря, THD — это мера искажения, выраженная в%. Если устройство (любое активное устройство, но подумайте о выпрямители, приводы с регулируемой скоростью … в качестве практических примеров) дается синусоидальная волна, так как на входе на выходе никогда не бывает точного 100% воспроизведения ввода.Серия гармоник исходной волны искажает исходная форма волны. THD% — это попытка «пронумеровать» степень искажения для сравнения. Число% является несколько спорным, потому что некоторые гармоники более важны, чем другие, и нет взвешивание. THD (%) = 100 * SQRT [(V22 + V32 + V42 +… + Vn2)] / Vt Где V2, V3 — среднеквадратичные значения каждого напряжения гармоника, а Vt — полное среднеквадратичное выходное напряжение.

Провисание / вздутие или провал / скачок

Длительность 0.5 цикл и выше. Провалы напряжения — это наиболее частые нарушения питания. Падения напряжения могут поступают из утилиты. В большинстве случаев провисания возникают внутри здания. Например, в жилом проводки, наиболее частой причиной провалов напряжения является пусковой ток, потребляемый холодильником и воздухом. Моторы кондиционера.Пакеты обычно не мешают лампам накаливания или флуоресцентному освещению. двигатели или обогреватели. Однако у некоторого электронного оборудования отсутствует достаточный внутренний накопитель энергии, и поэтому оно не может ездить. через просадки напряжения питания.Оборудование может выдерживать очень короткие глубокие провалы или иметь возможность преодолевать более длинные, но более мелкие провалы.

Пониженное / повышенное напряжение

Перенапряжение — это увеличение эффективного напряжения более чем на 110% в течение более одной минуты. Под напряжением представляет собой снижение эффективного напряжения до менее 90% в течение более одной минуты. Позаботьтесь об этом определение, потому что оно имеет тенденцию меняться от поставщика к поставщику.

Переходные напряжения / скачки / скачки

Относится к кратковременным (менее 1 цикла) событиям.Низкочастотные переходные процессы часто называют конденсаторными. коммутационные переходные процессы ». Высокочастотные переходные процессы часто называют импульсами, пиками или скачками. Они могут быть возникает, когда через линию включается разряженный конденсатор коррекции коэффициента мощности. переходные процессы вызваны молнией и отключением индуктивных нагрузок. Типичное время нарастания указано в заказе. микросекунды; типичные времена затухания составляют от десятков до сотен микросекунд. Часто затухание будет экспоненциально затухающим звенящим сигналом с частотой приблизительно 100 кГц.Очень сильно быстрые переходные процессы, или EFT, имеют время нарастания и спада в наносекундной области. Они вызваны дугой неисправности, такие как неисправные щетки в двигателях, которые быстро устраняются даже несколькими метрами распределения проводка. Стандартные сетевые фильтры, входящие в комплект почти всего электронного оборудования, устраняют EFT.

Реактивная мощность и требования к соединениям для фотоэлектрических и ветряных электростанций

Автор: Sandia National Laboratories ^[1]

Содержание

Фон

Напряжение в магистральной системе Северной Америки обычно регулируется операторами генераторов, которым обычно предоставляются графики напряжения от операторов системы передачи.В прошлом электростанции с регулируемой генерацией считались очень небольшими по сравнению с обычными генерирующими установками и, как правило, представляли собой либо индукционные генераторы (ветряные), либо инверторы с коммутацией линий (PV), которые не имели встроенной способности регулирования напряжения. Регулирование напряжения в основной системе обеспечивалось почти исключительно синхронными генераторами. Однако растущий уровень проникновения нетрадиционных возобновляемых источников энергии, особенно ветровой и солнечной, привел к необходимости того, чтобы возобновляемые источники энергии вносили более значительный вклад в напряжение энергосистемы и регулирование реактивной мощности.По большей части новые ветряные электростанции используют асинхронные генераторы с двойным питанием или машины полного преобразования с самокоммутируемыми электронными интерфейсами, которые обладают значительной динамической реактивной способностью и возможностью регулирования напряжения. Если необходимо выполнить требования к межсетевому соединению, реактивная мощность солнечных и ветряных электростанций может быть дополнительно увеличена путем добавления статического компенсатора реактивной мощности (SVC), статических компенсаторов (STATCOMS) и другого реактивного вспомогательного оборудования на уровне станции. Следует отметить, что преобразователи должны быть больше по размеру, чтобы обеспечивать реактивную мощность на полной мощности.В настоящее время реактивная способность на основе инвертора более дорогостоящая по сравнению с такой же способностью, обеспечиваемой синхронными машинами. Частично по этой причине Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) в Приказе 661A (применимом к ветрогенераторам) предусмотрела, что оператор передачи должен провести исследование на конкретном участке, чтобы обосновать требование реактивной способности с запаздыванием до 0,95, чтобы опередить в точке. взаимосвязи. Ожидается, что для солнечных фотоэлектрических систем в ближайшем будущем будут сформулированы аналогичные требования к межсоединениям для диапазона коэффициента мощности и сквозного прохода низкого напряжения.Инверторы, используемые для солнечных фотоэлектрических и ветряных электростанций, могут обеспечивать реактивную способность при частичной выходной мощности, но любая реактивная способность инвертора на полной мощности подразумевает, что преобразователь должен иметь больший размер, чтобы выдерживать полный активный и реактивный ток.
Тем не менее, ресурсы переменной генерации, такие как ветровые и солнечные фотоэлектрические системы, часто расположены в удаленных местах со слабыми линиями передачи. Для ветряных парков и солнечных фотоэлектрических станций нередки коэффициенты короткого замыкания (т. Е. Отношения мегавольт-ампер (МВА) трехфазного короткого замыкания, деленные на номинальную мощность электростанции), равную 5 или меньше.Поддержка напряжения в таких системах является жизненно важной вспомогательной услугой для предотвращения нестабильности напряжения и обеспечения хорошей передачи мощности.
Регулирование напряжения в распределительных системах обычно выполняется на уровне распределительной подстанции, а регулирование напряжения распределения распределенными ресурсами не допускается IEEE 1547. Обычно распределенные ресурсы работают с фиксированным коэффициентом мощности по отношению к локальной системе.

Реактивная способность синхронных генераторов

Обычно, когда реактивная способность ресурсов переменного генерирования указывается для соединений передачи, это делается в точке соединения (POI), которая является точкой, в которой мощность доставляется в систему передачи.Это часто (но не всегда) на стороне высокого напряжения главного трансформатора объекта. Типичным требованием будет отставание 0,95 для опережающего коэффициента мощности в точке POI, что означает, что машина должна быть способна впрыскивать или поглощать эквивалент примерно 1/3 своей активной мощности (МВт) в качестве реактивной мощности (МВАр). Это отставание от опережающей спецификации возникло из приказа FERC 2000 (Соглашение о межсетевом соединении крупных генераторов) и было предложено Североамериканской корпорацией по надежности электроснабжения (NERC) в качестве типичного примера возможности синхронного генератора.На самом деле синхронные генераторы почти всегда применяются с коэффициентом мощности, измеренным на клеммах, а не в точке POI. Обычная реактивная мощность синхронного генератора обычно описывается «кривой D», которая охватывает диапазон от нуля до номинальной выходной мощности. Однако следует отметить, что синхронные генераторы ограничены минимальной нагрузочной способностью генерирующей установки. Некоторые традиционные генераторы предназначены для работы в качестве синхронных конденсаторов, что позволяет им обеспечивать реактивную мощность при нулевой нагрузке, но они по-прежнему не могут работать между нулевой и минимальной нагрузкой.Способность обеспечивать реактивную мощность при нулевой нагрузке должна быть предусмотрена в установке, и это невозможно для многих более крупных конструкций. Значение вышеизложенного состоит в том, что практическая реактивная мощность типичного синхронного генератора более ограничена, чем показывает типичная «D-кривая».

Допуская пренебрежимо малую вспомогательную нагрузку, соответствующий коэффициент мощности на интерфейсе передачи можно легко вычислить, учитывая коэффициент мощности генератора на клеммах и реактивное сопротивление повышающего трансформатора генератора.Как правило, генератор с реактивной способностью 0,9 запаздывания, опережение 0,983 (измерено на выводах генератора), подключенный к системе передачи через трансформатор с реактивным сопротивлением рассеяния 14% на базе MVA генератора, может обеспечить опережение 0,95 на передаче. интерфейс, если система передачи работает при номинальном (т. е. 100%) напряжении.

Типичные спецификации для синхронных генераторов требуют отставания 0,90 (чрезмерное возбуждение) и опережения 0,95 (недостаточное возбуждение) на клеммах машины, чтобы обеспечить регулирование напряжения в диапазоне напряжения передачи в пределах от 90% до 110% от номинального.Синхронные генераторы имеют максимальное постоянное напряжение 105% и минимальное постоянное напряжение 95%. В зависимости от напряжения системы и выходного уровня генератора эти ограничения могут вступить в силу, и в этом случае реактивная мощность будет снижена. Например, на рисунке слева показана допустимая реактивная мощность в точке POI для синхронного генератора при номинальной мощности с типичной реактивной способностью от 0,90 отставания до 0,95 опережения на клеммах машины, подключенных к системе на 14% (на генераторе MVA base) повышающий трансформатор реактивного сопротивления.Обратите внимание, что диапазон коэффициента мощности при перенапряжении в точке POI составляет примерно 0,95 запаздывания для напряжения системы при номинальном или ниже, но резко падает при напряжениях выше номинала. Точно так же диапазон коэффициента мощности при недовозбуждении в точке POI на самом деле близок к -0,9 опережения (то есть Q = 0,48 x P) для напряжений выше 100% от номинального, но возможности снижаются для напряжения системы ниже номинального.
Спецификация отставания 0,95 для опережения при полной мощности обычно оговаривается для переменной генерации. Однако ограничения напряжения на клеммах также влияют на реактивную мощность генераторов переменной мощности; поэтому, чтобы зафиксировать этот эффект, зависимость реактивной мощности от напряжения следует указывать отдельно от реактивного диапазона.Например, в дополнение к требованию запаздывания для опережения диапазона реактивной мощности 0,95, диаграмму, показанную на рисунке справа, можно использовать для определения реактивной мощности в зависимости от характеристики напряжения.

Реактивная способность или требования к ветровым и солнечным фотоэлектрическим генераторам

В

фотоэлектрических генераторах и некоторых типах ветряных генераторов используются преобразователи энергии. Реактивная способность преобразователей отличается от реактивной способности синхронных машин, поскольку они обычно не ограничиваются мощностью, как синхронные машины, а ограничиваются внутренними ограничениями по напряжению, температуре и току.

Реактивная мощность ветрогенераторов

Ветрогенераторы с интерфейсом преобразователя часто рассчитаны на работу от 90% до 110% номинального напряжения на клеммах. Диапазон запаздывающего коэффициента мощности может уменьшаться по мере увеличения напряжения на клеммах из-за внутренних ограничений напряжения и может уменьшаться при уменьшении напряжения на клеммах из-за ограничений по току преобразователя. Опережающая способность обычно увеличивается с увеличением напряжения на клеммах. Эти характеристики также применимы к фотоэлектрическим инверторам.Ветровые генераторы с двойным питанием и с полным преобразователем часто продаются с характеристиками реактивной способности «треугольной», «прямоугольной» или «D-образной». Это представляет реактивную мощность отдельных ветряных генераторов или фотоэлектрических инверторов.
Машины с прямоугольной или D-образной характеристикой реактивной способности могут использоваться для обеспечения услуги регулирования напряжения, когда они не вырабатывают активную мощность (например, в условиях низкой скорости ветра для ветрового ресурса или ночью для фотоэлектрического ресурса или во время свертывания) при работе в режиме СТАТКОМ.Однако эта возможность может быть недоступна или не включена по умолчанию. В отличие от генераторов ветряных турбин с двойным питанием или с полным преобразователем, индукционные ветрогенераторы без преобразователей не могут управлять реактивной мощностью. В установившемся режиме они поглощают реактивную мощность, как и любые другие индукционные машины. Обычно конденсаторы с механической коммутацией устанавливаются на клеммах ветрогенератора для корректировки коэффициента мощности до единицы. Несколько конденсаторных каскадов используются для поддержания коэффициента мощности, близкого к единице, во всем диапазоне выходных сигналов.

Реактивная мощность фотоэлектрических инверторов

Фотоэлектрические инверторы

имеют такую ​​же технологическую конструкцию, что и ветряные генераторы с полным преобразователем, и все чаще продаются с аналогичной реактивной мощностью. Однако исторически фотоэлектрические инверторы были разработаны для развертывания в распределительной системе, где применимые стандарты межсоединений (IEEE 1547) в настоящее время не позволяют регулировать напряжение. Инверторы для этого приложения предназначены для работы с единичным коэффициентом мощности и продаются с номинальной мощностью в киловатт (кВт), а не в киловольт-амперах (кВА).Подобно инверторным ветряным генераторам, фотоэлектрические инверторы обычно рассчитаны на работу в пределах от 90% до 110% номинального напряжения на клеммах. Реактивная мощность инвертора, насколько она доступна, зависит от напряжения на клеммах. Кроме того, входное напряжение постоянного тока может также влиять на реактивную мощность при использовании одноступенчатых инверторов. Например, низкое значение точки максимальной мощности (MPP) может уменьшить запаздывающую реактивную мощность. С увеличением использования фотоэлектрических инверторов в сети электропередач отрасль движется к способности обеспечивать реактивную мощность.Некоторые фотоэлектрические инверторы могут поглощать или вводить реактивную мощность, если это необходимо, при условии, что номинальные значения тока и напряжения на клеммах не превышаются. Учитывая, что стоимость инвертора зависит от номинального тока, обеспечение реактивной мощности на «полной мощности» означает, что инвертор должен быть больше для того же номинального значения МВт установки, что требует более высоких затрат по сравнению с существующей отраслевой практикой. На рисунке справа показана реактивная способность инвертора, основанная только на ограничениях по току. Исходя из исторической отраслевой практики, этот инвертор будет рассчитан на работу с единичным коэффициентом мощности (P1).Инверторы смогут производить или поглощать реактивную мощность, когда они работают на уровнях мощности ниже P1 (например, P2). Однако в ответ на недавние сетевые нормы, такие как немецкий BDEW, все больше производителей фотоэлектрических инверторов «занижают» свои инверторы и теперь предоставляют мощность как в кВт, так и в кВА. В принципе, инверторы также могут обеспечивать поддержку реактивной мощности при нулевой мощности, аналогично STATCOM. Однако эта функциональность не является стандартной в отрасли. Фотоэлектрические инверторы обычно отключаются от сети в ночное время, и в этом случае реактивная мощность инвертора недоступна.Эта практика, конечно, может быть изменена, если условия площадки диктуют использование реактивной способности в периоды, когда генерация обычно находится в автономном режиме.

Реактивная способность установок переменной генерации

Требования к реактивной мощности для межсетевого взаимодействия указываются в POI. Это важное соображение для ветряных и солнечных электростанций. Прежде всего, это означает, что при проектировании станции можно рассмотреть несколько технических вариантов для удовлетворения требований к межсетевым соединениям.Технически, установка с инверторными ветряными или солнечными генераторами может полагаться на инверторы для обеспечения части или всего необходимого диапазона реактивной мощности в точке интереса. Может быть более экономичным использовать внешние статические и динамические устройства, такие как STATCOM, SVC или конденсаторы с механической коммутацией (MSC). Требуемый дополнительный объем реактивной поддержки зависит от реактивной способности отдельных ветряных генераторов фотоэлектрических инверторов и от того, как она используется. Иногда требуется внешняя динамическая реактивная поддержка, чтобы обеспечить соблюдение требований к постоянному напряжению.
В периоды низкой ветровой или солнечной активности некоторые генераторы на станции могут отключаться от сети. Напряжение постоянного тока для солнечных фотоэлектрических инверторов может ограничивать реактивную мощность инверторов. Это следует учитывать при определении мощности реактивной мощности для электростанций с регулируемой производительностью. Ниже определенного уровня выходного сигнала имеет смысл, чтобы в спецификации был указан диапазон пониженного коэффициента мощности или допустимый диапазон в МВАр.
Требования к межсетевым соединениям часто применяются к ветряным электростанциям, подключенным к линиям электропередачи.В случае фотоэлектрических модулей требование поддерживать диапазон реактивной мощности на полной мощности представляет собой изменение по сравнению с исторической отраслевой практикой. Это влияние на стоимость может быть значительным, если фотоэлектрическая установка полагается на фотоэлектрические инверторы для обеспечения части или всей необходимой реактивной мощности на уровне предприятия. На рисунке справа показана кривая реактивной мощности для работы с единичным коэффициентом мощности на основе фотоэлектрической установки (красная линия) и ее сравнение с «треугольным» требованием реактивной мощности (синяя линия), которое обычно указывается для межсоединений передачи.В этом случае фотоэлектрическая установка не будет соответствовать требованиям на полной мощности без увеличения мощности инвертора, снижения номинальных характеристик установки или установки внешних устройств поддержки реактивной мощности. Для достижения диапазона коэффициента мощности 0,95 отставания для опережения точки POI при номинальной выходной мощности установки с использованием только инверторов, общая номинальная мощность инвертора должна увеличиться на целых 10% с учетом реактивных потерь. Следует отметить, что как фотоэлектрические установки, так и инверторные ветряные установки технически способны обеспечивать реактивную способность на полной мощности.Разница в том, что такое требование является новым для солнечной отрасли по сравнению с ветроэнергетикой.
Требование, обозначенное синей кривой, может не требоваться для всех фотоэлектрических станций, подключенных к передаче. Учитывая, что большинство фотоэлектрических станций относительно малы, а выходная мощность является переменной, работа по красной кривой или с единичным коэффициентом мощности может быть столь же выгодна для системы, как и работа по синей кривой. В периоды, когда этого требуют системные условия, этим установкам можно было бы дать указание уменьшить выходную активную мощность, чтобы можно было поддерживать диапазон реактивной мощности.
В дополнение к описанной выше зависимости реактивной способности от уровня выходного сигнала, полная спецификация должна учитывать ожидаемую реактивную способность в условиях напряжения, отличного от номинального.

Статическая и динамическая реактивная способность

Обеспечение динамической реактивной способности может иметь финансовые последствия, отличные от статической реактивной способности, и поэтому должно быть указано отдельно. Некоторые сетевые коды определяют как динамический диапазон, так и общий диапазон реактивной работы.Например, код сетки может определять динамический диапазон отставания 0,95 для опережения и общий диапазон от 0,90 до 0,95 опережения, указывая на необходимость плавной и быстрой работы между отставанием 0,95 и опережением 0,95, но с учетом некоторой задержки по времени для запаздывания. коэффициенты мощности ниже 0,95. Динамическая реактивная способность преобразователей может быть обеспечена почти мгновенно, аналогично синхронным машинам, почти мгновенно (т. Е. В пределах цикла) реагируя на изменения напряжения системы, чтобы поддерживать систему во время переходных процессов, таких как короткие замыкания, коммутационные скачки. , так далее.Конденсаторы постоянной емкости или реакторы могут использоваться для смещения динамической реактивной способности в сторону отстающей или опережающей стороны, соответственно, по мере необходимости. Если имеется недостаточная динамическая реактивная способность, доступная из ресурсов генерации переменных, может возникнуть необходимость дополнить ресурсы генерации переменных с помощью SVC или STATCOM.
Нединамические источники реактивной энергии, такие как дополнительные механически переключаемые конденсаторы или реакторы, могут быть установлены для увеличения общей (но не динамической) реактивной способности.Время отключения находится в диапазоне циклов, а не секунд. Однако после отключения конденсаторы не могут быть повторно вставлены без предварительной разрядки (если не используется синхронное переключение). Обычно разрядка занимает пять минут. Трансформаторы с быстрой разрядкой могут применяться для разрядки за несколько секунд. Хорошая инженерная практика требует рассмотрения работы переключаемых реактивных ресурсов. Например, иногда требуется, чтобы запаздывающая реактивная способность вводилась в действие как функция переменной выходной мощности, независимо от состояния напряжения в системе.Оператор передачи может потребовать, например, чтобы конденсаторы были введены в эксплуатацию для компенсации реактивных потерь передачи всякий раз, когда мощность ветряного парка превышает 90% от номинальной мощности. Если напряжение в системе высокое и турбины уже работают с максимальным пределом коэффициента мощности, включение конденсаторов может вызвать высокое переходное и установившееся перенапряжение, которое может привести к отключению турбины и другим трудностям в эксплуатации. Может потребоваться отрегулировать отводы трансформатора для смещения напряжения турбины в безопасном направлении, если такая операция необходима.

Рекомендации по эксплуатации

Реактивная способность в системах передачи обычно реализуется в режиме регулирования напряжения. Оператор системы передачи предоставляет график напряжения, и ожидается, что генератор (обычная или переменная генерация) отрегулирует реактивную мощность, чтобы поддерживать напряжение близко к уровню уставки. Обычно это делается путем регулирования напряжения на клеммах ресурса на стороне низкого напряжения главного трансформатора ресурса. Другой появляющейся практикой является регулировка реактивного выхода в соответствии с характеристикой «реактивного спада» с использованием передаваемого напряжения.Обычно используется реактивное падение в диапазоне от 2% до 10%. Типичное падение на 4% просто означает, что ресурс будет регулировать реактивный выход линейно с отклонением от запланированного напряжения, так что полная реактивная способность раскрывается, когда измеренное напряжение отклоняется от запланированного напряжения более чем на 4%. Отклонение в 1% приводит к развертыванию 25% доступной реактивной мощности и т. Д. Отклонение напряжения меньше предела зоны нечувствительности не потребует ресурсов для изменения выходной реактивной мощности.
Спецификации требования к реактивному спаду (например, зона нечувствительности отклика на спад вместе со временем реакции на изменения напряжения) могут привести к требованиям к динамической поддержке реактивной мощности, а также к потенциально быстродействующему поведению контроллера установки. Возможность реактивного спада — это новая возможность для солнечных фотоэлектрических станций, хотя нет никаких технических препятствий для реализации таких схем управления. Отдельные ветряные генераторы и солнечные фотоэлектрические инверторы обычно следуют уставке коэффициента мощности или реактивной мощности.Уставку коэффициента мощности можно отрегулировать с помощью регулятора напряжения / мощности на уровне предприятия, что позволяет генераторам участвовать в управлении напряжением. В некоторых случаях относительно медленный интерфейс связи (порядка нескольких секунд) инверторов ограничивает время отклика реактивной мощности.
Реактивные спады менее 2% для регулирования напряжения в системе передачи, по сути, представляют собой «взрывные» регуляторы напряжения, которые могут вызывать колебания, вызывать чрезмерно быстрые колебания напряжения и истощать реактивные резервы на случай непредвиденных обстоятельств.Они могут быть необходимы в некоторых слабых системах, но их по возможности следует избегать. Для крупных станций, подключенных к системе передачи, управление реактивной мощностью (фиксированная Q) и управление коэффициентом мощности (фиксированное отношение Q к P) обычно не используется, поскольку они могут привести к неправильной реакции на колебания напряжения в системе и обычно отвлекают от локальной системы. стабильность напряжения. Однако следует отметить, что реактивное управление или управление коэффициентом мощности являются разумными вариантами при подключении к очень жесткой шине по сравнению с размером установки.Это важное соображение в ожидании того, что более мелкие заводы должны быть учтены в стандартах NERC. Кроме того, для генераторов, подключенных к распределительной сети, подходят управление реактивной мощностью или управление коэффициентом мощности.

Обзор существующих стандартов реактивной мощности

В следующих разделах обсуждаются основные требования к реактивной мощности, применимые в Северной Америке и за рубежом.

Стандарты, применяемые в Северной Америке

FERC

Приказ FERC 661A применяется конкретно к ветряным электростанциям с суммарной паспортной мощностью более 20 МВА.Операторы передачи обычно требуют от ветрогенераторов обеспечивать отставание в 0,95, чтобы опережать диапазон коэффициента мощности в точке соединения, а также возможность регулирования напряжения. Приказ 661A возлагает бремя на оператора передачи по установлению потребности в требовании коэффициента мощности до запаздывания 0,95 для опережения диапазона коэффициента мощности и необходимости в динамической реактивной способности. Некоторые операторы передачи предпочли бы интерпретировать Приказ 661-A как базовое требование, основанное на необходимости на уровне системы, а не на индивидуальной основе.По-прежнему существует большая неопределенность в отношении этого вопроса для всех типов генерации переменных. Кроме того, существуют разные интерпретации и отсутствие ясности в отношении количества требуемой динамической реактивной мощности по сравнению со статической, с Приказом 661-A, требующим, чтобы ветряные электростанции обеспечивали достаточную поддержку динамического напряжения вместо стабилизатора энергосистемы (PSS) и автоматического напряжения. регулятор (АРН). Требования FERC к межсетевым соединениям в настоящее время не содержат формулировок, применимых к солнечной генерации.Однако процедуры присоединения генерации в Калифорнии были недавно пересмотрены с целью включения положений, аналогичных Приказу FERC 661A, но применимых ко всем асинхронным генераторам.

NERC

Применимость стандартов NERC к производителям определена в Заявлении о соответствии критериям реестра NERC (редакция 5.1). Генераторы мощностью более 20 МВА, завод / объект мощностью более 75 МВА в совокупности, любой генератор, являющийся блоком «черный пуск», подчиняется стандартам NERC.Региональные стандарты и другие требования дополняют стандарты НКРЭ. Важным моментом является то, что стандарты NERC, в отличие от некоторых региональных сетевых кодексов, стремятся быть технологически нейтральными. Хорошим примером этой философии является стандарт PRC-024 по допускам по напряжению и частоте, который в настоящее время разрабатывается.
NERC FAC-001 предписывает владельцу передачи определять и публиковать требования к подключению для оборудования, включая генераторы. Требования к подключению должны учитывать реактивную мощность и требования к управлению (R2.1.3 и R2.1.9). Как указано в предыдущем разделе, способ использования реактивной мощности влияет на требования к межсоединениям. В этом отношении стандарты NERC VAR рассматривают эксплуатационные требования в отношении управления реактивной мощностью, хотя используемый язык более уместен для синхронной генерации и может быть изменен, чтобы лучше адресовать генерацию переменных. В VAR-001 R3 указано, что « Оператор передачи должен указать критерии, которые освобождают производителей от соблюдения требований, определенных в Требовании 4 и Требовании 6.1. ”VAR-001 R4 и R6.1 относятся к требованиям для работы в режиме автоматического регулирования напряжения или регулирования реактивной мощности. VAR-002 указывает, что генераторы с автоматическими регуляторами напряжения должны работать в режиме управления напряжением, если иное не указано оператором передачи.
Стандарты присоединения, выпущенные операторами передачи в соответствии с FAC-001, не являются единообразными. Некоторые операторы передачи прямо рассматривают требования к реактивной мощности, а некоторые просто ссылаются на проформу FERC LGIA / SGIA.Например, в заявлении Idaho Power о соответствии требованиям NERC FAC-001 в Разделе R2.1.9 говорится, что «Требования к контролю напряжения, реактивной мощности и коэффициента мощности IPC для генераторов описаны в соглашениях о взаимном подключении генераторов. Требования к генераторам мощностью более 20 МВт перечислены в разделе 9.6 Стандартного соглашения о присоединении крупных генераторов (LGIA) IPC. Для генераторов мощностью менее 20 МВт в разделе 1.8 Соглашения IPC о присоединении малых генераторов (SGIA) описаны требования. »В отличие от этого, в Разделе G3.1.2.2 Справочника по объединению генерации Pacific Gas and Electric Company (PG&E) говорится, что« ветрогенераторные установки должны обеспечивать единичный коэффициент мощности в точке соединения (POI), если только исследования PG&E не указывают диапазон. PG&E может дополнительно потребовать предоставления реактивной поддержки, эквивалентной той, которая обеспечивается при работе синхронного генератора в любом месте в диапазоне от 95% опережающего коэффициента мощности (поглощающая переменная) до 90% запаздывающего коэффициента мощности (производящая переменную) в рабочем диапазоне ± 5%. номинального напряжения на клеммах генератора и полной нагрузки.(Это типично, если проект индукции превышает 1000 кВт.) »Далее, в G3.1.3, в документе PG&E говорится, что« Инверторные генерирующие установки должны обеспечивать реактивную мощность (Вар) для управления напряжением. Он должен быть измерен на стороне объекта (обычно на стороне низкого напряжения) повышающего трансформатора, который подключается к PG&E. Реактивная способность объекта должна быть, по крайней мере, способна обеспечивать систему как минимум 43% номинальной мощности объекта и принимать 31% номинальной мощности объекта ватт от системы. ”Другие стандарты, касающиеся реактивной мощности, рассматриваются ниже.

ERCOT

Процедуры подключения генератора

ERCOT или запроса на изменение применяются к отдельным блокам мощностью более 20 МВА или нескольким блокам (например, ветряным и солнечным генераторам) с совокупной мощностью 20 МВА, подключенным к системе передачи. Требуемый диапазон коэффициента мощности составляет 0,95 отставания для опережения при максимальной выходной мощности и должен обеспечиваться в точке POI (передача). При частичной мощности реактивная способность должна быть до диапазона в МВАр при номинальной мощности или, по крайней мере, до требуемого диапазона при номинальной мощности, масштабируемого отношением активной мощности к номинальной мощности.Реактивный диапазон должен соответствовать профилю напряжения, установленному ERCOT. Все генераторы должны следовать графику напряжения в пределах реактивной способности генератора и работать в режиме регулирования напряжения, если ERCOT не предписывает иное, на уровнях выходной мощности, равных или превышающих 10% от номинальной выходной мощности. ^[2]

Калифорнийский независимый системный оператор

Калифорнийский независимый системный оператор (CAISO) недавно предложил более подробные требования к коэффициенту мощности, которые применяются ко всем формам «асинхронной генерации» (включая ветровую и солнечную).Предлагаемое требование заключалось в запаздывании на 0,95, чтобы опередить базовое требование коэффициента мощности в точке интереса. Параллелограмм использовался для определения зависимости реактивной мощности от напряжения. Предлагаемый стандарт также допускал бы допустимый диапазон реактивной мощности, когда выходная мощность генерирующего объекта ниже 20% от номинальной выходной активной мощности. Он также заявил, что реактивная мощность должна быть обеспечена при полной выходной реальной мощности, и пояснил, что возможности реактивной мощности могут быть удовлетворены с помощью внешнего оборудования поддержки статической или динамической реактивной мощности.Специальное требование для автоматического регулирования напряжения включало определения зоны нечувствительности по напряжению и времени отклика. FERC отклонила предложение CAISO на том основании, что базовые требования к реактивной мощности должны быть обоснованы конкретным исследованием межсетевого взаимодействия.

HECO

Гавайская электрическая компания (HECO) в настоящее время определяет требования к коэффициенту мощности посредством соглашения о межсетевом соединении и процесса соглашения о закупке электроэнергии, в том числе для площадок мощностью менее 20 МВт.Требования аналогичны требованиям, предложенным другими органами, с указанием того, что требование VAR (которое соответствует коэффициенту мощности 0,95 при номинальной мощности) будет удовлетворительным вместо требования коэффициента мощности.

AESO

Оператор электросистем Альберты (AESO) определяет требования к реактивной мощности для ветряных генераторов, как показано на рисунке справа. Основное требование заключается в том, что устойчивая реактивная мощность должна соответствовать или превышать коэффициент мощности от 0,9 до 0,95 в зависимости от агрегированного уровня МВт станции.Часть реактивной способности, отставание от 0,95 до опережения 0,985, должна быть динамической. Кратковременная реактивная мощность, которая может поддерживаться в течение одной секунды или дольше, учитывается при определении требуемой динамической реактивной мощности. При условии рассмотрения и утверждения AESO несколько ветряных электростанций, подключенных к общей передающей подстанции, могут рассмотреть возможность объединения регулирования напряжения и реактивной мощности от одного источника для удовлетворения общих требований к реактивной мощности. Целью требований регулирования напряжения является достижение разумной реакции на помехи, а также установившееся регулирование +/- 0.5% от контролируемого напряжения. Стандарт определяет минимальные требования к динамической реактивной мощности и позволяет некоторым управляемым реактивным устройствам, таким как батареи конденсаторов, удовлетворять требованиям к общей реактивной мощности. Характеристики реактивной мощности и регулирование напряжения оцениваются на стороне низкого напряжения повышающего трансформатора (ов) передачи и при номинальном напряжении коллекторной системы.

Требования к реактивной мощности, применимые к распределительной системе межсоединений

В Северной Америке распределительные межсетевые соединения обычно соответствуют стандартам IEEE 1547, как это указано в Стандартных процедурах генератора (SGIP) FERC, и процессах межсоединений на уровне штата.Что касается реактивной мощности, IEEE 1547.1 утверждает, что коэффициент выходной мощности должен составлять 0,85 от опережения или выше; однако фотоэлектрические и ветряные системы, подключенные к распределительной сети, обычно проектируются для работы с единичным или опережающим коэффициентом мощности при управлении коэффициентом мощности и могут обеспечивать небольшую реактивную способность или ее отсутствие на полной мощности. Управление напряжением, которое часто требуется для генерации, подключенной к передаче, не разрешено в соответствии с IEEE 1547.

Сводка

Сводка существующих стандартов реактивной мощности
Стандарт	Технологический адрес	Требования к коэффициенту мощности	Диапазон напряжения	Специфицированное оборудование (статическое / динамическое)	Режимы управления
FERC 661A — Приложение G	Ветряные установки	0.95 задержка для опережения в точке соединения (POI), бремя доказательства требуется от поставщика передачи	Не указано?	С помощью силовой электроники в пределах ограничений, связанных с уровнем напряжения и реальной выходной мощностью, или постоянными и переключаемыми конденсаторами по согласованию с поставщиком услуг передачи	Неадрес
NERC FAC-001	Генераторы мощностью более 20 МВА, завод / объект мощностью более 75 МВА в совокупности, любой генератор, являющийся блоком «черный пуск», и любой генератор, подключенный к системе передачи электроэнергии (обычно 100 кВ и выше).	Поручает владельцу передачи определить и опубликовать требования к соединению. Требования к подключению должны учитывать реактивную мощность и требования к управлению. Стандарты присоединения, выпущенные операторами передачи в соответствии с FAC-001, не являются единообразными.	Не указано?	Неадрес	VAR-001 R4 и R6.1 относятся к требованиям для работы в режиме автоматического регулирования напряжения или регулирования реактивной мощности. VAR-002 указывает, что генераторы с автоматическими регуляторами напряжения должны работать в режиме управления напряжением, если иное не указано оператором передачи.
ERCOT	Одиночные блоки мощностью более 20 МВА или несколько блоков (например, ветряные и солнечные генераторы) с совокупной мощностью 20 МВА, подключенные к системе передачи.	Требуемый диапазон коэффициента мощности составляет 0,95 отставания для опережения при максимальной выходной мощности и должен обеспечиваться в точке POI (передача). При частичной мощности реактивная способность должна быть до диапазона в МВАр при номинальной мощности или, по крайней мере, до требуемого диапазона при номинальной мощности, масштабируемого отношением активной мощности к номинальной мощности.	Реактивный диапазон должен соответствовать профилю напряжения, установленному ERCOT.		Все генераторы должны соблюдать график напряжения в пределах реактивной способности генератора и работать в режиме регулирования напряжения, если ERCOT не предписывает иное, при уровнях реальной выходной мощности 10% и выше.
CAISO (предложено)	Генерация переменной энергии	Отставание на 0,95 для опережения (потребления / производства) в точке POI, когда ресурсы переменного генерирования (VER) экспортируют> 20% максимальной номинальной мощности в точку POI.Максимальная VAR — это функция реальной выдаваемой мощности (треугольная VAR поддерживает более 20% номинальной мощности). Например, VER экспортирует 10 МВт в POI, VER должен быть способен вводить или поглощать до 3,3 МВАр в POI.	Первоначально была предложена возможность обеспечения полного диапазона поддержки реактивной мощности при напряжении от 0,95 до 1,05 о.е., но в настоящее время рассматривается.	С помощью инверторов, переключаемых или фиксированных конденсаторов, статических устройств (STATCOM) или комбинации этих источников.	По умолчанию установлен режим управления напряжением с возможностью работы в режиме управления коэффициентом мощности. В соответствии с требованиями Западного Координационного совета по электроэнергии. Отрегулируйте напряжение в точке POI в установившемся режиме и в условиях помех в соответствии с графиком напряжения с помощью системы автоматического управления напряжением (AVCS). Все устройства реактивной мощности должны контролироваться AVCS. Никакого упоминания о динамической поддержке напряжения или времени отклика. В рамках рейтинга оборудования.
HECO (пример PPA)	На переговорах	Минимум 0.95 отстают от опережения в пределах диапазона реактивной мощности при полной полной мощности.	При номинальном напряжении		Скорость реакции (зависит от сайта).

Есть несколько хороших примеров стандартов присоединения, которые применяются к присоединению переменной генерации в Европе и других странах.

Международные стандарты

Ниже приведены некоторые примеры.

«Сетевые коды» ветроэнергетики в Европе

В Европе стандарты межсетевого взаимодействия для ветроэнергетики, известные как «сетевые нормы», являются относительно зрелыми по сравнению со стандартами в Северной Америке.Стандарты различаются в зависимости от юрисдикции оператора передачи, и в настоящее время предпринимаются усилия по гармонизации формата стандартов. Расчетные требования к коэффициенту мощности выражаются кривой зависимости Q от P. Некоторые примеры представлены на рисунке справа. Эти диаграммы определяют требования к реактивной мощности во всем рабочем диапазоне активной мощности, а не только при полной выходной мощности. В качестве ориентира требования к расчетному коэффициенту мощности при полной выходной мощности варьируются от единицы до 0,9 при пониженном / повышенном возбуждении в точке подключения.Большинство кодексов признают, что реактивная мощность зависит от условий напряжения, и содержат соответствующие спецификации.
Некоторые сетевые коды определяют часть кривой возможностей, которая должна быть динамической, как и в стандарте AESO (Альберта). В некоторых правилах сети обсуждается, как эта реактивная способность может использоваться в операциях (управление напряжением / падением, управление коэффициентом мощности и управление реактивной мощностью), а также ожидаемое время отклика для каждого из них. В некоторых правилах энергосистемы также обсуждается стратегия управления, необходимая при возникновении неисправности, которая может сыграть роль при проектировании системы и выборе оборудования.

Стандарты среднего напряжения в Германии

Требования к подключению солнечных фотоэлектрических систем, установленных на среднем напряжении (от 10 кВ до 100 кВ), недавно были введены в Германии.