Что такое реактивная мощность
Содержание
Реактивной мощностью называют физическую величину, характеризирующую те нагрузки, которые появляются в электроустановках вследствие колебаний энергии электромагнитного поля, возникающего при использовании синусоидального тока. Если выражаться более просто, то реактивная мощность в цепи переменного тока — это та энергия, которую реактивные элементы приемника получают от источника и возвращают ему назад за время одного колебания. Данная мощность не преобразуется ни в механическую, ни в тепловую энергию и не выполняет никакой полезной работы. Из-за нее происходят лишь потери энергии в процессе передачи.
Что такое реактивная мощность
Функционирование любого электротехнического устройства невозможно без энергии генератора, которая преобразовывается в полезную работу. Но в процессе взаимодействия этого устройства с электроэнергией неизбежно возникает электромагнитное поле. Поэтому электроэнергия затрачивается не только на полезную, но и на бесполезную работу, то есть, на создание электрического и магнитного поля. Электрическое поле способны создавать такие элементы, как конденсаторы, а магнитное — двигатели и трансформаторы, поскольку в них присутствуют индуктивности. Реактивный протекающий ток греет питающие проводники.
В ходе рабочего процесса электроустройства магнитные и электрические поля непрерывно обмениваются энергией. В этом обмене принимает участие и сам генератор, то есть, электроустройство не только потребляет энергию, но и частично отдает ее обратно генератору. Количество потребляемой электроэнергии за единицу времени называют мощностью или же можно сказать, что мощность — это скорость потребления устройством электроэнергии.
Как рассчитывается
В цепи переменного тока выделяют активную, реактивную и полную мощность. Последняя представляет собой сумму полезной и бесполезной работы. Формула для определения полной мощности выглядит так:
Активная мощность связана только с полезной работой. Для ее вычисления используют следующее выражение:
Реактивная мощность переменного тока отображает бесполезную работу. Для ее расчета используется уравнение:
Активная, реактивная и полная мощность связаны таким выражением:
Полная мощность измеряется в вольт-амперах: 1ВА = 1В × 1А. Единица измерения реактивной мощности — вольт-ампер реактивный: 1вар = 1В × 1А, а активной мощности — ватт.
Векторная диаграмма мощностей
Наличие реактивной мощности характеризируется коэффициентом мощности cos , который представляет собой соотношение активной и полной мощности в цепи. Зависимость между полной, активной и реактивной мощностями можно представить векторной диаграммой, получившей название треугольник мощностей. Теорема Пифагора и треугольник мощностей позволяют довольно просто решить задачу, как найти активную, реактивную или полную мощность.
Следует отметить, что:
Активная и реактивная составляющие переменного тока оцениваются по коэффициенту мощности. Например, если на каком-либо электроустройстве написано, что его мощность 500 Вт, а cos = 0.8, то это означает, что из сети устройство возьмет мощность 500/0.8 = 625 Вт, а работу выполнит на 500 Вт.
Почему появляется сдвиг фазы
Если устройство потребляет только активную мощность, то ток и напряжение совпадают по фазе. Если же в цепи присутствуют потребители реактивной мощности (емкости и индуктивности), тогда между током и напряжением появляется сдвиг фазы, значение которого может находиться в диапазоне от 0 до 90 градусов. В идеальных конденсаторах напряжение отстает от тока на 90 градусов, а в идеальных индуктивностях опережает его на такое же значение. Чем больше значение фазового сдвига, тем больше будет реактивная мощность.
Чисто активным (резистивным) характером нагрузки отличаются лампы накаливания, электроплиты и другие нагревательные электроприборы. Основные источники реактивной мощности индуктивного характера — электродвигатели и трансформаторы, а емкостного — различные электронные устройства, в которых конденсаторы используются в качестве накопителей энергии.
Если к сети переменного тока подключить активное сопротивление, например, нагревательный прибор, то фазового сдвига между напряжением и током не произойдет. Это связано с тем, что моментальное значение мощности представляет собой произведение моментальных значений тока и напряжения, а они в данном случае находятся в одной фазе, то есть, имеют одинаковые знаки. Следовательно, активная мощность при наличии активной нагрузки будет всегда положительна.
Отрицательные значения мощности возникают при условии, что один из сомножителей меньше нуля. Если сдвиг фаз равен 90 градусам, то площадь положительных и отрицательных зон на графике будет совпадать. Активная мощность в данном случае имеет нулевое значение и в цепи присутствует только реактивная мощность. Следовательно, энергия не выполняет работу, а только перемещается от генератора к потребителю и обратно.
Компенсация реактивной мощности
Из-за фазового сдвига активная мощность уменьшается, поскольку та часть электроэнергии, которую выделяют источники реактивной мощности, просто циркулирует в энергосистеме и расходуется на создание магнитного поля, не совершая при этом ничего полезного. Именно это обстоятельство становится причиной того, что для полноценной работы оборудования требуется ток большей силы. К тому же все проводники имеют активное сопротивление, поэтому циркуляция больших токов в цепи приводит к их нагреву и, следовательно, к потерям электроэнергии.
С целью повышения коэффициента мощности применяют устройства компенсации. Их принцип действия основывается на свойстве емкостей и индуктивностей сдвигать фазу в противоположные стороны. Например, фазовый сдвиг на определенный угол при включении обмотки электромотора можно компенсировать с помощью конденсатора, сдвигающего фазу на такой же угол, но в противоположную сторону. В результате сдвиг будет нулевым.
Благодаря конденсатору, подключенному параллельно потребителю, реактивный ток циркулирует между потребителем и конденсатором, и не создает дополнительную нагрузку на сеть. Если же с помощью компенсационного устройства удастся получить коэффициент мощности, равный 1, то в цепи будет присутствовать только активный ток.
Реактивная мощность конденсатора, используемого для компенсации в однофазной сети, рассчитывается с помощью формулы:
Расчет конденсатора, с помощью которого компенсируется реактивная мощность трехфазной сети, выполняется по такой формуле:
Определение тока конденсатора в фазовом проводнике и, следовательно, реактивной мощности осуществляется с помощью таких выражений:
Реактивную мощность конденсатора при соединении треугольником находят по формуле:
И при соединении звездой:
С помощью конденсаторных компенсационных установок можно существенно снизить потери электроэнергии и добиться более длительного срока работоспособности оборудования.
Как измеряется реактивная мощность
Измерение реактивной мощности выполняется с помощью тех же приборов, что и активной. Они называются ваттметрами. При их использовании обмотки приборов подключаются к напряжениям, сдвинутым по фазе на 90 градусов относительно тех напряжений, которые применялись при измерении активной мощности.
Измерение реактивной мощности в симметричной системе выполняется одним ваттметром. Его обмотку напряжения подключают к линейному напряжению сети, которое отстает на 90 градусов от напряжения той фазы, к которой подключена токовая обмотка прибора.
Для несимметричного режима трехфазной сети ваттметры можно использовать только при наличии так называемой простой асимметрии. В этом случае несимметричными являются токи (нагрузка), а напряжения (источник) — симметричными. Следует отметить, что такой режим чаще всего встречается на практике.
Для измерения мощности в асимметричной системе применяют схемы с двумя и тремя ваттметрами. Три ваттметра обычно используют для четырехпроводной цепи.
При измерениях в трехпроводной цепи можно обойтись двумя ваттметрами.
Если нейтральный провод является недоступным, тогда следует создать искусственную нейтральную точку. В этом случае катушки напряжения ваттметров подключаются симметричной звездой вместе с добавочным резистором.
Реактивную мощность находят с помощью выражений:
Рассмотренные выше схемы для измерения реактивной мощности используются преимущественно в лабораторной практике. Их сейчас заменяют двух- и трехфазными ваттметрами и счетчиками, в корпусе которых установлено 2 или 3 однофазных измерительных механизма. Существуют и цифровые приборы, выполняющие измерительные функции с помощью блоков-модулей.
Применение современных электронных приборов позволяет получать более точные данные, касающиеся величины энергии в сети.
Загрузка...
