Нехай приймач електро-енергії приєднаний до джерела синусоїдальної напруги u (t) = Usin (# 969; t) і споживає синусоїдальний струм i (t) = I sin (# 969; t - # 966;), сдви-нутий по фазі щодо напруги на кут # 966 ;. U і I - діючі значення. Значення миттєвої потужності на затисках приймача визначається виразом
і є сумою двох величин, одна з яких постійна в часі, а інша пульсує з подвійною частотою.
Середнє значення p (t) за період Т називається активною потужністю і повністю визначається перших складових рівняння (5.1):
Активна потужність ха-рактерізует енергію, що витрачається безповоротно джерелом в одиницю часу на виробництво корисної роботи споживачем. Активна енергія, споживана електроприймачів, перетворюється в інші види енергії: механічну, теплову, енергію стисненого повітря і
Середнє значення від другого доданка миттєвої потужності (1.1) (пульсує з подвійною частотою) за час Т дорівнює нулю, т. Е. На її створення не потрібно будь-яких матеріальних витрат і тому вона не може здійснювати корисної ра-боти. Однак її присутність вказує, що між джерелом і приймачем відбувається зворотній процес обміну енергією. Це можливо, якщо є елементи, здатні накопичувати і віддавати електромагнітну енергію - ємність і індуктивність. Ця складова характеризує реактивну потужність.
Повну потужність на затискачах приймача в комп-Лексне формі можна представити таким чином:
Одиниця виміру повної потужності S = UI - ВА.
Реактивна потужність - величина, що характеризує навантаження, створювані в електротехнічних пристроях коливаннями (обміном) енергії між джерелом і приймачем. Для синусоїдального струму вона дорівнює добутку діючих значень струму I і напруги U на синус кута зсуву фаз між ними: Q = UI sin # 966 ;. Одиниця виміру - В # 8729; Ар.
Реактивна потужність не пов'язана з корисною роботою ЕП і витрачається тільки на створення змінних електромагнітних полів в електродвигунах, трансформаторах, апаратах, лініях і т. Д.
Для реактивної потужності прийняті такі поняття, як генерація, споживання, передача, втрати, баланс. Вважається, що якщо струм відстає по фазі від напруги (індуктивний характер навантаження), то реактивна потужність споживається і має позитивний знак, а якщо струм випереджає напругу (ємнісний характер навантаження), то реактивна потужність ге-неріруется і має від'ємне значення.
Основними споживачами реактивної потужності на промислових підприємствах є асинхронні двигуни (60-65% загального потреб-лення), трансформатори (20-25%), вентильніперетворювачі, реактори, повітряні електричні мережі та інші приймачі (10%).
Передача реактивної потужності завантажує електричні мережі і встановлений в ній обладнання, зменшуючи їхню пропускну здатність. Реактивна потужність генерується синхронними генераторами електростанцій, синхронними компенса-торами, синхронними двигунами (регулювання струмом збудження), батареями конденсаторів (БК) і лініями електропередачі.
Реактивна потужність, що виробляється ємністю мереж, має наступний порядок величин: повітряна лінія 20 кВ генерує 1 кВ # 8729; Ар на 1 км трифазної лінії; підземний кабель 20 кВ - 20 кВ # 8729; Ар / км; повітряна лінія 220 кВ - 150 кВ # 8729; Ар / км; підземний кабель 220 кВ - 3 МВ # 8729; Ар / км.
Коефіцієнт потужності і коефіцієнт реактивної потужності. Векторне подання величин, що характеризують стан мережі, призводить до подання реактивної потужності Q вектором, перпендикулярним вектору активної потужності Р (рис. 5.2). Їх векторна сума дає повну потужність S.
Мал. 5.1. трикутник потужностей
Згідно рис. 5.1 і (5.2) випливає, що S 2 = Р 2 + Q 2; tg # 966; = Q / P; cos # 966; = P / S.
Основним нормативним показником, характе-різующім реактивну потужність, раніше був коефіцієнт потужності cos # 966 ;. На вводах, що живлять промислове підприємство, середньозважене значення цього коефіцієнта повинно було знаходитися в межах 0,92-0,95. Однак вибір співвідношення P / S в якості нормативного не дає чіткого уявлення про динаміку зміни реального значення реактивної потужності. Наприклад, при зміні коефіцієнта потужності від 0,95 до 0,94 реактивна потужність змінюється на 10%, а при зміні цього ж коефіцієнта від 0,99 до 0,98 приріст реактивної потужності становить вже 42%. При розрахунках зручніше оперувати співвідношенням tg # 966; = Q / P. яке називають коефіцієнтом реактивної потужності.
Граничні значення коефіцієнтів реактивної потужності (tg # 966;) нормуються в залежності від положення точки (напруги) приєднання споживача до мережі. Для напруги мережі 100 кВ tg # 966; = 0,5; для мереж 35, 20, 6 кВ - tg # 966; = 0,4 і для мережі 0,4 кВ - tg # 966; = 0,35.
Введення нових директивних документів по компен-сації реактивної потужності було направлено на підвищення ефективності роботи всієї системи електропостачання від генераторів енергосистеми до приймачів електроенергії.
З введенням коефіцієнта реактивної потужності стало можливим представляти втрати активної потужності через активну або реактивну потужності: # 8710; Р = (P 2 / U 2) R (l + tg 2 # 966;).
Кут між векторами потужностей Р і S відповідає розі # 966; між векторами активної складової струму I а і повного струму I. який, в свою чергу, є векторною суму активного струму Іа. що знаходиться в фазі з напругою, і реактивного струму Iр. що знаходиться під кутом 90 ° до нього. Це розташування струмів є розрахунковим прийомом, пов'язаним з розкладанням на активну і реактивну потужності, яке можна вважати природним.
Більшість споживачів потребують реактивної потужності, оскільки вони функціонують завдяки зміні магнітного поля. Для найбільш уживаних двигунів в нормальному режимі роботи можна привести такі приблизні значення tg # 966 ;.
У момент пуску двигунів потрібна значна кількість реактивної потужності, при цьому tg # 966; = 4-5 (cos # 966; = 0,2-0,24).
Синхронні машини мають здатність споживати або видавати реактивну потужність в залежності від ступеня збудження.
У синхронних генераторах і двигунах розміри ланцюгів збудження обмежують можливість поставки реактивної потужності до максимальних значень tg # 966; = 0,75 (cos # 966; = 0,8) або до tg # 966; = 0,5 (cos # 966; = 0,9) (табл. 5.1).
Синхронні двигуни, що випускаються вітчизняною промисловістю, розраховані на випереджаюче коефіцієнт потужності (cos # 966; = 0,9) і при номінальній активної навантаженні Pном і напрузі Uном можуть виробляти номінальну реактивну потужність Qном ≈ 0,5Pном.
При недовантаження СД по активної потужності # 946; = P / Pном <1 возможна перегрузка по реактивной мощности α = Q /Qном> 1.
Перевагою СД, який використовується для компенсації реактивної потужності, в порівнянні з КБ є можливість плавного регулювання реактивної потужності. Недоліком є те, що активні втрати на генерування реактивної потужності для СД більше, ніж для КБ.
Додаткові активні втрати в обмотці СД, що викликаються реактивної потужністю в межах зміни cos # 966; від 1 до 0,9 при номінальній активної потужності СД, рівний Pном. кВт:
де Qном - номінальна реактивна потужність СД, кВ # 8729; Ар; R - опір однієї фази обмотки СД в нагрітому стані, Ом; Uном - номінальна напруга мережі, кВ.
У системах електропостачання промислових підприємств КБкомпенсують реактивну потужність базисної (основний) частини графіків навантажень, а СД знижують піки навантажень графіка.
Залежності коефіцієнта перевантаження по реактивній потужності
Серія, номінальна напруга, частота обертання двигуна
Відносне напруга на затискачах двигуна U / Uном
Коефіцієнт перевантаження по реактивній потужності # 945; при коефіцієнті завантаження # 946;
СДН, 6 і 10 кВ (для всіх частот обертання) СДН, 6 кВ: 600-1000 об / хв 370-500 об / хв 187-300 об / хв 100-167 об / хв СДН, 10 кВ: 1000 об / хв 250-750 об / хв СТД, 6 і 10 кВ, 3000 об / хв СД і СДЗ, 380 В (для всіх частот обертання)
0,95 1,00 1,05 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 0,95 1,00 1,05 1,10 0,95 1,00 1,05 1, 10
1,31 1,21 1,06 0,89 0,88 0,86 0,81 0,90 0,86 1,30 1,32 1,12 0,90 1,16 1,15 1,10 0, 90
1,39 1,27 1,12 0,94 0,92 0,88 0,85 0,98 0,90 1,42 1,34 1,23 1,08 1,26 1,24 1,18 1, 06
1,45 1,33 1,17 0,96 0,94 0,90 0,87 1,00 0,92 1,52 1,43 1,31 1,16 1,36 1,32 1,25 1, 15
Синхронні компенсатори. Різновидом СД є синхронні компенсатори (СК), які представляють собою СД без навантаження на валу. В даний час випускається СК потужністю вище 5000 кВ # 8729; Ар. Вони мають обмежене застосування в мережах промислових підприємств. Для поліпшення показників якості напруги у потужних ЕП з резкопеременной, ударної навантаженням (дугові печі, прокатні стани і т. П.) Використовуються СК.
Статичні тиристорні пристрої, що компенсують. У мережах з резкопеременной ударної навантаженням на напрузі 6-10 кВ рекомендується застосування не конденсаторних батарей, а спеціальних джерел реактивної потужності (ДРП), які повинні встановлюватися поблизу таких ЕП. Схема ІРМ приведена на рис. 5.2. У ній в якості регульованої індуктивності використовуються індуктивності LR і нерегульовані ємності С 1-С 3.
Мал. 5.2. Швидкодіючі джерела реактивної потужності
Регулювання індуктивності здійснюється тиристорн групами VS. керуючі електроди яких приєднані до схеми управління. Перевагами статичних ІРМ є відсутність обертових частин, відносна плавність регулювання реактивної потужності, що видається в мережу, можливість трьох- і чотирикратної перевантаження з реактивної потужності. До недоліків відноситься поява вищих гармонік, які можуть виникнути при глибокому регулюванні реактивної потужності.
За рахунок додаткових втрат потужності в мережі, викликаних споживанням реактивної потужності, збільшується загальне споживання електроенергії. Тому зниження перетоків реактивної потужності є одним з основних завдань експлуатації електричних мереж.