Реактивная составляющая не так бесполезна. Она формирует электромагнитное поле, нужное для адекватной работы реактивной нагрузки.
Коэффициент мощности и гармоники в электросети
В прошлой статье я рассказал при исследование качества электроэнергии при помощи анализатора HIOKI. Там я обещал продолжить рассказ и поделиться своими знаниями по таким понятиям, как коэффициент мощности (известный в народе как cos φ) и гармоники питающего напряжения.
Кроме того, расскажу, что такое PF, DPF, и докажу, что косинус и синус – две большие разницы! 🙂
Для примера разберём, как обстоят дела с косинусом и гармониками на предприятии, которое мы обследовали совместно с “ИК Энергопартнер”.
Косинус угла в электротехнике
Кто хочет, почитайте про cos φ в Википедии, а я расскажу своими словами.
Итак, что такое косинус в электротехнике? Дело в том, что есть такое явление, как сдвиг фаз между током и напряжением. Он происходит по разным причинам, и иногда важно знать о его величине. Сдвиг фаз можно измерить в градусах, от 0 до 360.
На практике степень реактивности (без указания индуктивного либо емкостного характера) выражают не в градусах, а в функции косинуса, и называют коэффициентом мощности:
- P – активная мощность, которая тратится на совершение полезной работы,
- S – полная мощность.
Полная мощность является геометрической суммой активной Р и реактивной Q мощностей, поэтому формулу коэффициента мощности можно записать в следующем виде:
Формула коэффициента мощности через активную и реактивную мощности
В иностранной литературе коэффициент мощности cos φ называют PF (Power Factor). Фактически, это коэффициент, который говорит о сдвиге сигнала тока по отношению к сигналу напряжения.
На самом деле, всё не так просто, подробности ниже.
Легендарный Алекс Жук очень толково рассказал, что такое реактивная мощность, и всё по этой теме:
В видео подробно и доступно изложена вся теория по теме.
Размерности. Что в чём измеряется
Активная мощность Р ⇒ Вт (то, что измеряет домашний счетчик),
Реактивная мощность Q ⇒ ВАР (Вольт · Ампер Реактивный),
Полная мощность S ⇒ ВА (Вольт · Ампер).
Кстати, в стабилизаторах и генераторах мощность указана в ВА. Так больше. Маркетологи знают лучше.
Также маркетологи знают, что на потребителях (например, на двигателях) мощность лучше указывать в Вт. Так меньше.
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.
Практическое значение коэффициента мощности
На практике коэффициент мощности стараются сделать максимально большим. Так как при малом для выделения в цепи необходимой мощности надо пропускать ток большой силы, а это приводит к большим потерям в подводящих проводах (см. закон Джоуля — Ленца).
Коэффициент мощности учитывают при проектировании электрических сетей. Если коэффициент мощности является низким, это приводит к росту части потерь электрической энергии в общей сумме потерь. Для увеличения данного коэффициента применяют компенсирующие устройства.
Ошибки при расчетах коэффициента мощности ведут к повышенному потреблению электрической энергии и уменьшению коэффициента полезного действия оборудования.
Коэффициент мощности измеряют фазометром.
Способы расчета коэффициента мощности
Коэффициент мощности рассчитывают как отношение активной мощности (P) к полной мощности (S)
где — реактивная мощность.
Коэффициент мощности для трехфазного асинхронного двигателя вычисляют при помощи формулы:
Коэффициент мощности можно определить, используя, например треугольник сопротивлений (рис.1а) или треугольник мощностей (рис.1b).
Треугольники на рис. 1(a и b) подобны, так как из стороны пропорциональны.
Попытаемся вычислить мощность для простоты 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).
Причины низкого коэффициента мощности
Учитывая все вышесказанное, можно сказать, что чем выше показатель PF, тем более эффективно используются базовые элементы сети, включая генераторы на электростанции, трансформаторы и линии электропередач. Если же мощностной коэффициент снижается, то на энерговырабатывающих станциях возрастают эксплуатационные затраты с необходимостью привлечения дополнительных источников электроэнергии.
Снижению же коэффициента мощности очень часто способствуют особенности эксплуатации оборудования на некоторых предприятиях. Так как активная работа тех или иных аппаратов в разных цехах то прекращается, то начинается снова, уровень рабочей мощности может непрерывно изменяться, следовательно, изменяются соотношение мощностей и «косинус фи».
Понижение PF непосредственно возникает из-за прерывистой работы электротехнического оборудования, включающего в себя реактивные детали. В их число входят:
- асинхронные двигатели;
- трансформаторы;
- выпрямители переменного тока;
- люминесцентные лампы с электромагнитными балластами и электронными пускорегуляторами;
- электросварочные аппараты;
- дуговые печи.
В активном режиме с почти полной нагрузкой электродвигатель, например, выдает достаточно большой cos φ. Однако этот показатель уменьшается по мере снижения мощности агрегата, притом что загруженность его реактивной части при неизменности электромагнитного тока практически остается на одном и том же уровне. Минимальных значений коэффициент мощности достигает при холостом режиме, находясь в диапазоне 0,1-0,3, в зависимости от основных характеристик электроприбора.
Ощутимое снижение PF наблюдается и в трансформаторных установках при активной загруженности менее чем на три четверти. При этом сохранение индуктивной составляющей ведет к увеличению полномощностной нагрузки.
Коррекция коэффициента мощности
Ввиду повышенной энергозатратности работы реактивных систем с нерезистивными нагрузками и в целях оптимизации энергопотребления проводят мероприятия по увеличению мощностного коэффициента. Коррекция «косинуса фи» в нужную сторону повышает пропускную способность электросистемы, оптимизируя энергопотери. Стабилизация энергопотребления предотвращает нежелательные падения напряжения в электросети, а значит, и критические сбои в работе оборудования. Кроме того, улучшение отношений мощностей способно сократить финансовые расходы на электроэнергию.
Разновидности коррекции
Непосредственной целью корректировки cos φ является приближение показателя значению 1. Это достигается с помощью компенсирующих устройств или путем сглаживания неравномерного потребления нагрузки. Процедура обязательно выполняется для цепей с импульсными стабилизаторами напряжения и трехфазных сетей, чтобы не допускать перегрузки нейтральной проводящей части.
Метод компенсации реактивной мощности предполагает включение в сеть реактивных компонентов обратного действия. Типичным корректирующим устройством при этом является конденсатор. Данный метод часто применяется на производственных предприятиях, использующих асинхронные электродвигатели. В целом, компенсационные мероприятия позволяют:
- снизить нагрузку на электропередающие линии, трансформаторы и коммутаторы;
- уменьшить искажение формы напряжения;
- повысить качество электрической энергии в электроприборах;
- сэкономить на плате за электроэнергию.
Индуктивные устройства являются обязательным оборудованием в промышленности. Одно из их электродинамических свойств — сохранение тока в неизменном состоянии. Так как такое действие провоцирует расхождение циклов U и I, оно должно компенсироваться емкостными устройствами, стремящимися сохранить напряжение. На производствах эту роль выполняют целые блоки конденсаторов (БК), а также синхронные двигатели различной конструкции.
Применение конденсаторных установок снижает потери действительной мощности до 0,3%. БК обладает рядом преимуществ, включая несложную регулировку мощностных параметров под изменяющиеся условия работы, надежную стабилизацию напряжения, простоту эксплуатации и недорогое обслуживание. Конденсаторные установки бывают разного типа, в зависимости от своего назначения. Высоковольтные компенсаторы (6-35 кВ) применяются на распределительных подстанциях, низковольтные батареи конденсаторов (0,4-0,6 кВ) служат для корректировки тока на нагрузках от производственных устройств. Высокое быстродействие БК позволяет компенсировать не только постоянное фазовое смещение, но и нелинейную мощность от индуктивных элементов.
Реактивная часть энергии также может уменьшаться за счет ее потребления синхронной машиной. Будучи подключенным к электросети, аппарат работает с опережающим cos φ, вырабатывая те параметры электроэнергии, которые нужны для поддержки напряжения в конкретный момент.
Помимо коррекции реактивной энергии, идущей от индуктивных аппаратов, также выполняется корректировка нелинейного потребления электрического тока. В случае непостоянных нагрузок в электросети реализуется схема активной или пассивной нормализации «косинуса фи». Для этого может быть использован «электрический реактор», представляющий собой обмотку с высокой степенью индуктивности. Такая катушка сглаживает неровное потребление энергии и выделяет необходимые для работы электроприборов гармоники.
Компенсацию реактивной мощности ёмкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рисунке 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше сетевое напряжение, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).
Треугольник мощностей
Посмотрите на треугольник мощностей. Вспомним тригонометрию (это что то из математики) вот здесь то она нам и пригодится.
На практике. Если подключить асинхронный двигатель в сеть без нагрузки, в холостую. Напряжение вроде как есть, ток, если замерить тоже есть, при этом ни какой полезной работы не совершается. Соответственно активная мощность минимальна.
Если на двигателе увеличить нагрузку то сдвиг фаз начнет уменьшаться и соответственно косинус фи (cos φ) будет увеличиваться, а с ним и активная мощность.
К счастью счетчики активной мощности фиксируют соответственно только активную мощность. И нам не приходится переплачивать за полную мощность.
Однако у реактивной мощности есть большой минус она создает бесполезную нагрузку на электрическую сеть из-за этого образуются потери.
Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.
Как компенсируют реактивную составляющую мощности?
Для понижения (компенсации) индуктивного характера реактивной составляющей используют введение емкостной составляющей в нагрузку, которая имеет положительный сдвиг фаз напряжения и тока (ток опережает напряжение). Реализуется это путем подключения параллельно нагрузке конденсаторов необходимой емкости. В результате происходит компенсация, и нагрузка со стороны питающей сети становится активной, с малой долей реактивной составляющей.
Компенсаторная установка на контакторах
Важно, чтобы не происходило перекомпенсации. То есть, даже после компенсации косинус не должен быть выше 0,98 – 0,99, и характер мощности всё равно должен оставаться индуктивным. Ведь компенсация имеет ступенчатый характер (контакторами переключаются трехфазные конденсаторы).
Конденсатор компенсатора реактивной мощности
Однако, для конечного потребителя компенсация реактивной мощности не имеет особого смысла. Польза в её компенсации есть только там, где имеются длинные сети передачи, которые “забиваются” реактивной мощностью, что в итоге снижает их пропускную способность.
Поэтому компенсация реактивной мощности относится к вопросу энергосбережения – она позволяет экономить расход топлива на электростанциях, и выработку бесполезной реактивной энергии, которая в конечном счете преобразуется в тепловую энергию и выбрасывается в атмосферу.
На предприятиях учитывается и активная, и реактивная потребляемые мощности, и при составлении договора оговаривается минимальное значение коэффициента мощности, которое нужно обеспечить. Если косинус упал – включается повышающий коэффициент при оплате.
Усредненные значения коэффициента мощности
Лампы накаливания и электрические нагревательные элементы, хотя и имеют в своих конструкциях спирали, намотанные с помощью специального провода, считаются чисто активной нагрузкой для сетей переменного тока. Так как индуктивность этих элементов настолько мала, что ею, как правило, просто пренебрегают. Для таких приборов cos ϕ (или коэффициент мощности) принимают равным 1.
В разнообразных электрических ручных инструментах (дрелях, перфораторах, лобзиках и так далее) индуктивная составляющая мощности достаточно мала. Для них принято считать cos ϕ≈0,96÷0,97. Этот показатель достаточно близок к единице, поэтому его, практически, никогда не указывают в технических характеристиках.
Для мощных электродвигателей, люминесцентных ламп и сварочных трансформаторов cos ϕ≈0,5÷0,82. Этот коэффициент мощности необходимо учитывать, например, при выборе диаметра питающих проводов, чтобы они не нагрелись, и не сгорела их изоляция.
