Реактивная мощность кратко и понятно: что такое, формулы

Что такое реактивная мощность?

Сначала рассмотрим понятие электрической силы. В самом широком смысле слова этот термин означает работу, совершаемую в единицу времени.

Применительно к электрической энергии немного скорректируем понятие мощности: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, которая собственно характеризует скорость выработки электроэнергии или количество переданной или потребленной электроэнергии в единицу времени.

Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенная мощность на участке цепи находится по формуле: P = U×I, где U и I — мгновенные значения параметров напряжения и тока на этом участке.

Строго говоря, приведенная выше формула справедлива только для постоянного тока. Но в цепях синусоидального тока формула работает только при чисто активной нагрузке потребителя. При резистивной нагрузке вся электрическая энергия расходуется на полезную работу.

Примерами резистивных нагрузок являются резистивные приборы, такие как водонагреватель или лампа накаливания.

При наличии в электрической цепи емкостных или индуктивных нагрузок появляются паразитные токи, не участвующие в совершении полезной работы. Мощность этих токов называется реактивной.

На индуктивных и емкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует полезной работе.

К устройствам с индуктивной нагрузкой относятся:

• электродвигатели;
• задыхается;
• трансформаторы;
• электромагнитные реле и другие устройства, содержащие обмотки.

Конденсаторы имеют емкость.

Мощность в цепи переменного электрического тока

Электроприборы, подключенные к сети, работают в цепи переменного тока, поэтому будем считать ток при данных условиях. Но сначала дадим общее определение понятия.

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

В более узком смысле говорят, что электрическая мощность есть отношение между работой, совершаемой за определенный промежуток времени, и этим промежутком времени.

Если переписать это определение менее научно, то получается, что электроэнергия – это определенное количество энергии, потребляемое потребителем за определенный период времени. Самый простой пример – обычная лампа накаливания.

Скорость, с которой лампочка преобразует электричество, которое она использует, в тепло и свет, является ее мощностью. Следовательно, чем выше этот показатель изначально у лампочки, тем больше энергии она будет потреблять, и тем больше света давать.

Поскольку в данном случае речь идет не только о процессе превращения электричества во что-то другое (свет, тепло и т д.), но и о процессе колебаний электрического и магнитного полей, то между током и напряжением возникает фазовый сдвиг, и это следует учитывать при дальнейших расчетах.

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

Понятие активной мощности

Активная «полезная» мощность – это часть мощности, непосредственно характеризующая процесс преобразования электрической энергии в другую энергию. Обозначается латинской буквой Р и измеряется в ваттах (Вт).

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

где U и I — действующие значения напряжения и тока цепи соответственно, cos φ — косинус угла сдвига фаз между напряжением и током.

ВАЖНЫЙ! Описанная ранее формула подходит для расчета цепей с напряжением 220В, но мощные устройства обычно используют сеть с напряжением 380В. В этом случае выражение нужно умножить на корень из трех или 1,73

Понятие реактивной мощности

Реактивная «вредная» мощность — это мощность, образующаяся при работе электроприборов с индуктивной или емкостной нагрузкой, и отражающая возникающие электромагнитные колебания. Проще говоря, это энергия, которая идет от источника питания к потребителю, а затем возвращается в сеть.

Разумеется, использовать этот компонент в бизнесе нельзя, к тому же он во многом наносит ущерб сети электроснабжения, поэтому его обычно пытаются компенсировать.

Это значение обозначается латинской буквой Q.

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

Рассчитывается по формуле:

где U и I — среднеквадратичное значение напряжения и тока цепи соответственно, sinφ — синус фазового угла между напряжением и током.

При расчете это значение может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от движения фаз.

Емкостные и индуктивные нагрузки

Основным отличием реактивной (емкостной от индуктивной) нагрузки является собственно наличие емкости и индуктивности, которые имеют свойство накапливать энергию и в дальнейшем отдавать ее в сеть.

Индуктивная нагрузка сначала преобразует энергию электрического тока в магнитное поле (в течение полупериода), а затем преобразует энергию магнитного поля в электрический ток и передает его в сеть. Примерами являются асинхронные двигатели, выпрямители, трансформаторы, электромагниты.

При работе с индуктивной нагрузкой кривая тока всегда отстает от кривой напряжения на полпериода.

Емкостная нагрузка преобразует энергию электрического тока в электрическое поле, а затем преобразует энергию результирующего поля обратно в электрический ток. Оба процесса продолжаются снова в течение половины цикла каждый. Примерами являются конденсаторы, батареи, синхронные двигатели.

При работе с емкостной нагрузкой кривая тока опережает кривую напряжения на полпериода.

Коэффициент мощности cosφ

Коэффициент мощности cosφ (читай косинус фи) — скалярная физическая величина, отражающая эффективность потребления электрической энергии. Проще говоря, коэффициент cosφ показывает наличие реактивной части и величину принимаемой активной части по отношению к полной мощности.

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

При более точном расчете следует учитывать нелинейные искажения синусоиды, но в обычных расчетах ими пренебрегают.

Значение этого коэффициента может варьироваться от 0 до 1 (если расчет производится в процентах, то от 0% до 100%). Из формулы расчета нетрудно понять, что чем больше значение, тем больше активная составляющая, а значит, производительность устройства лучше.

Понятие полной мощности. Треугольник мощностей

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

Вы также можете рассчитать общую мощность, умножив напряжение и ток соответственно.

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА).

Треугольник мощности представляет собой практическое представление всех ранее описанных расчетов и взаимосвязей между активной, реактивной и полной мощностью.

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

Как измеряют cosφ на практике

Значение коэффициента cosφ обычно указывается на этикетках электроприборов, но при необходимости его измерения на практике используют специализированный прибор — фазометр. Тем более, что с этой задачей легко справится цифровой ваттметр.

Если полученный коэффициент cosφ достаточно низкий, его можно практически компенсировать. В основном это делается за счет включения в схему дополнительных устройств.

1. При необходимости коррекции реактивной составляющей в схему следует включить реактивный элемент, действующий напротив уже работающего устройства. Для компенсации работы асинхронного двигателя, например индуктивной нагрузки, параллельно подключается конденсатор. Для компенсации синхронного двигателя подключен электромагнит.
2. При необходимости устранения нелинейности в схему вводят пассивный корректор cosφ, например, это может быть дроссель большой индуктивности, включенный последовательно с нагрузкой.

Сила тока является одним из важнейших показателей электроприборов, поэтому знать, что это такое и как рассчитывается, полезно не только школьникам и людям, специализирующимся в технике, но и каждому из нас.

Понятие электрической мощности

Величина, показывающая, как быстро вырабатывается, передается и потребляется электроэнергия в течение определенного времени, называется электрической мощностью.

Из этого следует вывод – чем больше мощность электросистемы, тем больше работы она может совершить за определенный промежуток времени.

мгновенная мощность – это произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока в любом звене электрической цепи.

Если рассматривать постоянный ток, то мгновенная мощность в такой цепи совпадает со средней мощностью. При переменном токе такое совпадение тоже возможно, но если нагрузка активна. Например, при работе с лампами накаливания. Характерной особенностью такой нагрузки является отсутствие сдвигов фаз по току и напряжению.

Однако при подключении цепи переменного тока, например трансформатора, характер нагрузки становится индуктивным. А если подключить электронное устройство, то характер нагрузки будет емкостным. Это означает, что ток будет опережать напряжение по фазе или отставать от него. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе, потребитель получает только часть тока.

Мощность, переданная потребителю за определенное время, называется активной мощностью. Значение зависит от косинуса угла фазового сдвига.

Следовательно, количество электроэнергии, не дошедшее до потребителя за определенный период времени, называется реактивной мощностью. Реактивная мощность не расходуется на совершение работы и зависит от синуса угла фазового сдвига.

Увеличивает потери тепла, так как постоянно циркулирует между источником тока и приемником, используется для создания магнитных полей. Для измерения используется единица измерения Вар (вольт-ампер реактивный).

Для характеристики приемника электрического тока используется коэффициент мощности — косинус фи (cos ϕ). Чем ближе значение к единице, тем эффективнее работает электроприбор.

Для наглядности можно привести пример с кружкой пива. Допустим, само пиво является активной силой, а пивная пена — реактивной силой. 😉

Как уменьшить реактивную мощность?

Для электрических сетей реактивная мощность нежелательна, так как снижает пропускную способность, что приводит к увеличению потерь и изменению уровня напряжения. Это приводит к значительному сокращению срока службы электросетевого оборудования и бытовых электроприборов.

Есть два способа решить эту проблему. Во-первых, провести реконструкцию электрических сетей. Это требует замены кабелей на кабели большего сечения и установки оборудования повышенной мощности, что требует значительных капиталовложений.

Второй способ – установка специальных устройств компенсации реактивной мощности. Здесь следует сказать, что реактивное действие может проявлять как ток, следующий за напряжением, так и ток, опережающий напряжение.

Получается, что у нас есть два типа реактивного воздействия, и они противоположны по направлению. Следовательно, они способны компенсировать друг друга. Как правило, индуктивная составляющая отстает и преобладает над емкостной, кондуктивной составляющей реактивной мощности в общей нагрузке энергосистем.

Увеличивая ток возбуждения генератора, можно увеличить выработку реактивной мощности, а уменьшая ток — уменьшить выработку. Поэтому на электростанциях генераторы имеют запас мощности. Это позволяет им быстро вырабатывать реактивную мощность в соответствии с характером нагрузки на электрические сети.

Также батареи статических конденсаторов, синхронных компенсаторов и управляемых шунтирующих реакторов используются для выработки реактивной мощности в энергосистемах.

Читайте также: Ремонт светильников дневного света: причины неисправностей и способы их устранения

Статические конденсаторы

Передача электроэнергии связана с появлением потерь в электрических сетях. Наиболее экономически выгодно компенсировать реактивную мощность вблизи электроустановок потребителей, что позволяет повысить уровень напряжения и увеличить пропускную способность линий электропередач.

Поэтому батареи статических конденсаторов в основном широко применяются на крупных промышленных предприятиях и питающих их подстанциях.

Это обусловлено следующими преимуществами:

1. Вращающихся частей нет.
2. Небольшая масса.
3. Простота установки и обслуживания.
4. При необходимости можно увеличить или уменьшить мощность установки.
5. Возможна установка как на отдельные энергоприемники, так и в составе больших батарей.
6. Выход из строя одного конденсатора не влияет на работу всей батареи.

Синхронные компенсаторы

Также для компенсации реактивной мощности используются ненагруженные синхронные двигатели, что позволяет регулировать ток возбуждения в широких пределах. Такие установки применяются на сетевых станциях, к которым подключаются линии электропередачи, имеющие большую протяженность и сверхвысокое напряжение.

Применение синхронных компенсаторов позволяет снизить потери и увеличить пропускную способность, за счет компенсации перетоков реактивной мощности на линиях электропередачи, а также при коротких замыканиях в линиях они способствуют сохранению электродинамической устойчивости оборудования электростанций.

Синхронный компенсатор может в электрической сети при необходимости выполнять роль емкости или индуктивности, выступать источником или потребителем реактивной энергии. Это возможно при работе в режиме недовозбуждения или перевозбуждения.

Шунтирующие реакторы

Управляемые шунтирующие реакторы (УШР) применяются для управления режимами работы электрических сетей со значительной зарядной мощностью и поддержания уровня напряжения в заданном диапазоне как при малых, так и при значительных нагрузках).

CSR также устанавливаются на электрических подстанциях вместе с батареями статических конденсаторов, что может значительно повысить эффективность коммунальных услуг.

Конструктивно управляемый реактор представляет собой двухобмоточный трансформатор с разъемным магнитопроводом. Одна обмотка является сетевой и подключается к источнику питания, а другая обмотка используется для управления и подключается к источнику постоянного тока. Обмотки соединены параллельно и встречно. Прямой электромагнитной связи между ними нет.

Сетевая обмотка формирует переменный магнитный поток с промышленной частотой. Обмотка управления создает регулируемый постоянный магнитный поток, который может перемещать переменный магнитный поток в область насыщения стали. При этом изменяется индуктивное сопротивление реактора и величина тока в сетевой обмотке.

Физика процесса

Когда мы имеем дело с цепями постоянного тока, о реактивной мощности говорить не приходится. В таких схемах мгновенные и полные значения мощности совпадают. Исключением являются моменты включения и отключения емкостных и индуктивных нагрузок.

Аналогичная ситуация возникает при наличии чисто активных резисторов в синусоидальных цепях. Но если в такую ​​электрическую цепь включить приборы с индуктивными или емкостными сопротивлениями, то возникает фазовый сдвиг тока и напряжения (см рис. 1).

При этом на индуктивностях наблюдается запаздывание фазы тока, а на емкостных элементах фаза тока сдвинута так, что ток опережает напряжение. Из-за нарушения гармоник тока полная мощность раскладывается на две составляющие. Емкостные и индуктивные составляющие называют реактивными, бесполезными. Вторая составляющая состоит из активных сил.

Угол фазового сдвига используется при расчете значений активных и реактивных емкостных или индуктивных сил. Если угол φ = 0, что имеет место при резистивных нагрузках, то реактивная составляющая отсутствует.

Важно помнить:

• сопротивление использует только активную мощность, которая выделяется в виде тепла и света;
• индукторы провоцируют образование реактивной составляющей и возвращают ее в виде магнитных полей;
• Емкостные элементы (конденсаторы) являются причиной реактивного сопротивления.

Треугольник мощностей и cos φ

Для наглядности полную силу и ее составляющие изобразим в виде векторов (см рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющих присвоим символы P и Q соответственно. Поскольку вектор S представляет собой сумму составляющих тока, по правилу сложения векторов образуется треугольник мощности.

Мы уже упоминали выше, что реактивный эффект зависит от фазового сдвига, а значит, и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выразить через cos φ. По определению cos φ = P/S. Это значение называется коэффициентом мощности и обозначается Pf. Таким образом, Pf = cos φ = P/S.

Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить КПД по току. Это значение находится в диапазоне от 0 до 1.

Если угол фазового сдвига принимает нулевое значение, то cos φ = 1, а значит, P = S, то есть полная мощность состоит только из активной мощности, а реактивности нет. При сдвиге фаз на угол π/2 cos φ = 0, из чего следует, что в цепи преобладают только реактивные токи (на практике такая ситуация не встречается).

Отсюда можно сделать вывод: чем ближе к 1 коэффициент Pf, тем эффективнее используется ток. Например, для синхронных генераторов приемлемым считается коэффициент от 0,75 до 0,85.

Формулы

Поскольку реактивная мощность зависит от угла φ, для ее расчета используется формула: Q = UI×sin φ. Единицей измерения реактивной составляющей является вар или кратное ей — квар.

Активный компонент находится по формуле: P = U*I×cosφ. Затем

Зная коэффициент Pf (cos φ), можно рассчитать номинальную мощность потребителя тока по его номинальному напряжению, умноженному на величину потребляемого тока.

Способы компенсации

Мы уже выяснили, как реактивные токи влияют на работу приборов и оборудования с индуктивными или емкостными нагрузками. Для уменьшения потерь в электрических сетях с синусоидальным током их оснащают дополнительными компенсационными устройствами.

Принцип работы компенсационных установок основан на свойствах индуктивностей и емкостей на сдвиг фаз в противоположных направлениях. Например, если обмотка электродвигателя сдвигает фазу на угол φ, то этот сдвиг можно компенсировать конденсатором подходящей емкости, который сдвигает фазу на величину — φ. Тогда результирующий сдвиг будет равен нулю.

На практике компенсирующие устройства подключаются параллельно нагрузкам. Чаще всего они состоят из блоков с большими конденсаторами, размещенными в отдельных шкафах. Такая батарея конденсаторов показана на рисунке 3. На рисунке показаны группы конденсаторов, которые используются для компенсации сдвигов напряжения в различных устройствах с индуктивными обмотками.

Компенсацию реактивной мощности с емкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рис. 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше напряжение сети, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).

Компенсационные агрегаты часто устанавливаются на производственных объектах, где эксплуатируется много мотоагрегатов. В этом случае потери электроэнергии весьма ощутимы, а качество тока резко ухудшается. Конденсаторные установки успешно решают такие задачи.

Нужны ли устройства компенсации в быту?

На первый взгляд, в домашней сети не должно быть больших реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают электроприборы с резистивной нагрузкой:

• чайник (Pf = 1);
• лампы накаливания (Pf=1);
• электрическая плита (Pf = 1) и другие отопительные приборы;

Коэффициенты мощности современных бытовых приборов, таких как телевизор, компьютер и т.п близки к 1. Ими можно пренебречь.

Но если речь идет о холодильнике (Pf=0,65), стиральной машине и микроволновой печи, уже стоит подумать об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, установка компенсационного устройства более чем желательна.

Финансовые последствия установки таких устройств существенно повлияют на ваш семейный бюджет. Ежемесячно вы можете откладывать около 15% средств. Согласитесь, это не так уж и мало, учитывая, что тарифы не на электроэнергию.

По ходу вы ответите на следующие вопросы:

• снижение нагрузок на индуктивные элементы и провода;
• улучшить качество тока, что способствует стабильной работе электронных устройств;
• снизить уровень высших гармоник в бытовой сети.

Для того чтобы ток и напряжение работали в фазе, компенсационные устройства следует размещать как можно ближе к потребителям электроэнергии. Тогда реальный выход индуктивных электроприемников будет иметь максимальные значения.