Активная и реактивная мощность для чайников: Реактивная энергия в электросети. Учет реактивной энергии

Реактивная энергия в электросети. Учет реактивной энергии

Электрическия система вырабатывает полную энергию, которая делится на полезную, или активную и остаточную под названием реактивная энергия. О том, что это такое и как ведётся её учёт, расскажет статья.

Остаточная энергия: что это такое?

Все электрические машины представлены реактивными и активными элементами. Именно они и потребляют электрическую энергию. К ним относят реактивные соединения кабелей, конденсаторные и трансформаторные обмотки.

В процессе течения переменного тока на этих сопротивлениях индексируются реактивные электродвижущие силы, которые создают реактивный ток.

В установках и приборах, создающих переменный ток, используется реактивная энергия в электросети, которая создает магнитное поле электрического поля.

Влияние индуктивного сопротивления на создание магнитного поля

Все приборы, которые питаются от электросети, имеют индуктивное сопротивление. Именно благодаря ему знаки тока и напряжения противоположны. Например, напряжение имеет отрицательный знак, а ток — положительный, или наоборот.

В это время электроэнергия, создаваемая в индуктивном элементе про запас, колебательными движениями исходит по сети за счёт нагрузки от генератора и обратно. Этот процесс и называется реактивной мощностью, которая создает магнитное поле электрического поля.

Для чего необходима реактивная энергия?

Можно сказать, что она направлена на регулировку изменений, которые вызывает в сети электрический ток. Сюда относят:

• поддержка магнитного поля во время индуктивности в цепи;
• при наличии конденсаторов и проводов поддержка их заряда.

Проблемы при выработке реактивной мощности

Если в сети существует большая доля выработки реактивной мощности, то приходится:

• повышать мощность силовых аппаратов, которые предназначены для преобразования электрической энергии одного значения напряжения в электрическую энергию другого значения напряжения;
• увеличивать сечение кабелей;
• бороться с ростом потери мощности в силовых аппаратах и линиях передач;
• увеличивать плату за потребление электроэнергии;
• бороться с потерей напряжения в сети.

В чём разница между активной и реактивной энергией?

Люди привыкли платить за ту электроэнергию, которую они потребляют. Они оплачивают энергию, используемую для обогрева помещения, приготовления еды, нагревания воды в ванной комнате (кто пользуется индивидуальными водонагревателями) и другую полезную электрическую энергию. Именно она и называется активной.

Активная и реактивная энергии различны в том, что вторая представляет собой оставшуюся часть энергии, которая не используется в полезной работе. Другими словами, они обе образуют полную мощность. Соответственно, потребителям невыгодно оплачивать помимо активной ещё и реактивную энергию в электросети, а поставщикам выгодно, чтобы они платили за полную мощность. Можно ли как-нибудь урегулировать этот вопрос? Давайте рассмотрим это.

Чем измеряют потребление энергии?

Для замера потребленной энергии используют счетчик активной и реактивной энергии. Всё они делятся на счетчики с одной фазой и тремя фазами. В чем же их различие?

Однофазные счетчики применяют для учета электрической энергии у потребителей, которые используют ее для бытовых нужд. Питание выполняется однофазным током.

Трехфазные счетчики используются для учета полной энергии. Они классифицируются исходя из схемы электроснабжения на трех- и четырехпроводные.

Различая счетчиков по способу включения

По тому, как они включаются, их делят на три группы:

1. Не используют трансформаторы и напрямую включаются в сеть счетчики прямого включения.
2. С использованием силовых аппаратов включаются счетчики полукосвенного включения.
3. Счетчики косвенного включения. Они подключаются к сети не только с использованием силовых аппаратов тока, но и с использованием трансформаторов напряжения.

Различая счетчиков по способу оплаты

По способу начисления платы за электроэнергию принято делить счетчики на следующие группы:

1. Счетчики, основанные на применении двух тарифов – их действие состоит в том, что тариф за потребляемую энергию меняется в течение суток. То есть в утренние часы и днем он меньше, чем в вечернее время.
2. Счетчики с предварительной оплатой – их действие основано на том, что потребитель платит за электроэнергию заранее, так как находится в отдаленных местах проживания.
3. Счетчики с указанием максимальной нагрузки – потребитель платит отдельно за потребленную энергию и за максимальную нагрузку.

Учет полной мощности

Учет полезной энергии направлен на определение:

1. Электрической энергии, вырабатываемой машинами по производству напряжения на электростанции.
2. Количества энергии, которая расходуется на собственные потребности подстанции и электростанции.
3. Электроэнергии, направленной на расходование ее потребителями.
4. Энергии, переданной для других энергосистем.
5. Электрической энергии, которая пущена по шинам электростанций к потребителям.

Учитывать реактивную электрическую энергию при передаче потребителям от электростанции необходимо только в том случае, если эти данные подсчитывают и контролируют режим работы устройств, компенсирующих эту энергию.

Где проводят контроль оставшейся энергии?

Счетчик реактивной энергии устанавливают:

1. Там же, где и счетчики по учету полезной энергии. Устанавливают их для потребителей, которые платят за полную используемую ими мощность.
2. На источниках присоединения реактивной мощности для потребителей. Это делается, если приходится контролировать процесс работы.

Если потребителю разрешено пускать оставшуюся энергию в сеть, то ставят 2 счетчика в элементах системы, где идет учет полезной энергии. В других случаях ставят отдельный счетчик для учета реактивной энергии.

Как сэкономить на потреблении электричества?

Большой популярностью в этом направлении пользуется прибор для экономии электричества. Его действие основано на подавлении остаточной электроэнергии.

На современном рынке можно найти много подобных устройств, в основе которых лежит трансформатор, направляющий электроэнергию в нужное русло.

Прибор для экономии электричества направляет эту энергию на разнообразное бытовое оборудование.

Рациональное использование электроэнергии

Для рационального использования электроэнергии применяется компенсация реактивной энергии. Для этого применяют конденсаторные установки, электродвигатели и компенсаторы.

Они помогают уменьшить потери активной энергии, которые обусловлены перетоками реактивной мощности. Это существенно влияет на уровень транспортных технологических потерь распределительных электрических сетей.

Чем выгодна компенсация мощности?

Применение установок для компенсации мощности способно принести большую выгоду в экономическом плане.

Согласно статистическим данным, их применение приносит до 50 % экономии трат за пользование электрической энергией во всех уголках Российской Федерации.

Денежные вложения, которые потрачены на их установку, окупаются в течение первого же года их использования.

Кроме того, там, где проектируются данные установки, кабель приобретается с меньшим сечением, что также очень выгодно.

Преимущества конденсаторных установок

Применение конденсаторных установок имеет следующие положительные стороны:

1. Небольшая потеря активной энергии.
2. В конденсаторных установках отсутствуют вращающиеся части.
3. Они легки в работе и эксплуатации.
4. Инвестиционные затраты не высоки.
5. Работают бесшумно.
6. Их можно установить в любой точке электрической сети.
7. Можно подобрать любую требуемую мощность.

Отличие конденсаторных установок от компенсаторов и синхронных двигателей состоит в том, что фильтрокомпенсирующие установки синхронно осуществляют компенсацию мощности и частично сдерживают присутствующие в компенсируемой сети гармоники. От того, насколько компенсируется мощность и будет зависеть стоимость за электроэнергию, ну и, соответственно, от действующего тарифа.

Какие виды компенсации существуют?

В процессе применения конденсаторных установок выделяют следующие виды подавляемой мощности:

1. Индивидуальная.
2. Групповая.
3. Централизованная.

Рассмотрим подробнее каждую из них.

Индивидуальная мощность

Конденсаторные установки располагаются прямо у электрических приемников и коммутируются в то же время, что и они.

Недостатками этого вида компенсации считается зависимость времени включения конденсаторной установки от времени начала работы электроприемников. Кроме того, перед проведением работ необходимо согласовывать емкость установки и индуктивность электрического приемника. Это необходимо для предупреждения резонансных перенапряжений.

Групповая мощность

Название говорит само за себя. Эта мощность используется при компенсации мощности нескольких индуктивных нагрузок, которые одновременно присоединены к одному распределительному устройству с общей конденсаторной установкой.

В процессе одновременного включения нагрузки увеличивается коэффициент, что приводит к понижению мощности. Это способствует лучшей работе конденсаторной установки. Остаточная энергия подавляется эффективнее, чем при индивидуальной мощности.

Отрицательной стороной данного процесса является частичная разгрузка реактивной энергии в электросети.

Централизованная мощность

В отличие от индивидуальной и групповой мощности, эта мощность регулируется. Она применяется для обширного диапазона изменения потребления остаточной энергии.

Большую роль в регулировании мощности конденсаторной установки играет функция реактивного тока нагрузки. При этом установка должна быть оснащена автоматическим регулятором, а её полная компенсационная мощность разделена на отдельно коммутируемые ступени.

Какие проблемы решают конденсаторные установки

Конечно, в первую очередь они направлены на подавление реактивной мощности, но на производстве они помогают решать следующие задачи:

1. В процессе подавления реактивной мощности, соответственно, снижается и полная мощность, что приводит к понижению загрузки силовых трансформаторов.
2. Питание нагрузки обеспечивается по кабелю с меньшим сечением, при этом не происходит перегрева изоляции.
3. Возможно подключение дополнительной активной мощности.
4. Разрешает избежать глубокой просадки напряжения на линиях электроснабжения удаленных потребителей.
5. Применение мощности автономных дизель-генераторов идёт по максимуму (судовые электроустановки, электроснабжение геологических партий, стройплощадок, установок разведочного бурения и т. д.).
6. Индивидуальная компенсация позволяет упростить деятельность асинхронных двигателей.
7. В случае аварийной обстановки конденсаторная установка немедленно отключается.
8. Автоматически включается обогрев или вентиляция установки.

Выделяют два варианта конденсаторных установок. Это модульные, применяются на крупных предприятиях, и моноблочные — для малых предприятий.

Подведём итоги

Реактивная энергия в электросети негативно сказывается на работе всей электрической системы. Это приводит к таким последствиям, как потеря напряжения в сети и увеличение затрат на топливо.

В связи с этим активно применяются компенсаторы данной мощности. Их выгода состоит не только в хорошей экономии денежных средств, но и в следующем:

1. Увеличивается срок службы силовых аппаратов.
2. Улучшается качество электрической энергии.
3. Экономятся деньги на покупку кабелей малого сечения.
4. Снижается потребление электрической энергии.

Понятия активной и реактивной нагрузки, использование формул

Чтобы правильно рассчитать нагрузку потребителей по мощности необходимо знать: какие бывают приемники напряжения. Что такое активная, реактивная и линейная нагрузка? Треугольник мощностей. Что такое пусковой ток? Все это разберем по порядку.

К приемникам напряжения относятся все устройства, которые подключаются к источникам напряжения. К ним относятся: электровентилятор, электроплита, стиральная машина, компьютер, телевизор, электродвигатель, бытовой электроинструмент и другие электропотребители.

В цепях переменного тока нагрузки разделяются на активные, реактивные и нелинейные. В цепях постоянного тока деления на типы нагрузок нет.

Активная нагрузка

К устройствам с активной нагрузкой причисляются нагревательные приборы (утюги, электроплиты, лампы накаливания, электрические чайники). Подобные приборы вырабатывают тепло и свет. Они не содержат индуктивности и емкости. Активная нагрузка преобразовывает электроэнергию в свет и тепло.

Реактивная нагрузка содержит емкость и индуктивность. Данные параметры имеют качество собирать энергию, а потом отдавать ее в сеть. Примером может служить электродвигатель, электрическая мясорубка, бытовой инструмент (пылесос, кухонный комбайн). То есть, все устройства, которые содержат электродвигатели.

Треугольник мощностей

Чтобы разобраться с реактивной нагрузкой рассмотрим треугольник мощностей.

где Р – активная мощность, которая измеряется в Ватах и используется для совершения полезной работы;

Q – реактивная, которая измеряется в Варах и используется для создания электромагнитного поля;

S – полная мощность используется для расчета электрических цепей.

Для расчета полной мощности применяем теорему Пифагора: S²=P²+Q². Или с помощью формулы: S=U*I, где U – это показание напряжения на нагрузке, I — показание амперметра, которое включается последовательно с нагрузкой. В расчетах также используется коэффициент мощности – cosφ. На приборах, которые относятся к реактивной нагрузке, обычно указаны активная мощность и cosφ. С помощью этих параметров также можно получить полную мощность.

Иногда на приборах указывается полная мощность, а cosφ не указан. В этом случае применяется коэффициент 0,7.

Нелинейная нагрузка

Имеет особенность в том, что напряжение и ток не пропорциональны. К нелинейной нагрузке относятся телевизоры, музыкальные центры, настольные электронные часы, компьютеры и его компоненты. Сама нелинейность обусловлена тем, что данное электронное устройство использует импульсные блоки питания. Для подзарядки конденсатора, которые стоят в импульсном блоке питания, достаточно вершины синусоиды.

В остальное время энергию из сети конденсатор не потребляет. В этом случае ток имеет импульсное качество. К чему это все приводит? Это приводит к тому, что синусоида искажается. Но не все электронные устройства работают с искаженной синусоидой. Эта проблема решается за счет применения стабилизаторов двойного преобразования, где сетевое питание преобразуется в постоянное. Затем из постоянного преобразуется в переменное нужной формы и амплитуды.

Пусковой ток

При расчете необходимо учитывать и пусковые токи устройства. Например, сопротивление нити накаливания в лампочке в момент включения в 10 раз меньше, чем в рабочем режиме. Следовательно, пусковой ток этой лампочки в 10 раз больше. Через некоторое время она начнет потреблять ту мощность, которая записана в данных этой лампочки. Поэтому, при включении она перегорает за счет больших пусковых токов.

В радиоэлектронной аппаратуре пока не зарядится конденсатор в блоке питания, также образуется пусковой ток.

В электродвигателях тоже образуется пусковой ток, пока двигатель не наберет номинальные обороты.

В нагревательных приборах пусковой ток образуется, пока спираль не нагреется до дежурной температуры.

Реактивная мощность в быту и на производстве. В чем разница?

Все больше появляется устройств и приборов «позволяющих экономить» электрическую энергию в домашних условиях путем компенсации реактивной составляющей сети. Менеджеры по продажам очень много и интересно рассказывают об этих устройствах, их экономичности, дешевизне, возможности очень сильно сэкономить на счете за электроэнергию. Действительно ли это так? Давайте попробуем разобраться.

Реактивная мощность на производстве

Прочитав про компенсацию реактивной мощности промышленными гигантами, как много они экономят при установке компенсирующих устройств, многие начинают думать, что поставив подобный компенсатор у себя дома они тоже будут экономить большие суммы. Но не все знают, что энергокомпании ведут учет реактивной мощности крупных потребителей и за потребление или генерацию реактивной мощности им придется платить и не малые деньги. Поэтому установив компенсирующее устройство и приблизив свой cosφ к единице они не будут платить за реактивную составляющую и таким образом осуществляется экономия. Также при уменьшении реактивной составляющей уменьшается результирующий ток, что в свою очередь снижает затраты на электрооборудование.

Также компенсаторы, устанавливаемые на предприятиях, имеют свою систему управления, которая контролирует работу установки компенсации и наличие реактивной составляющей.

Реактивная мощность в доме

Вопреки рассказам менеджеров по продажам многие специалисты не верят в такие приборы компенсации в бытовых условиях, квартире, даче, гараже. И их выводы не безосновательны. Это связано в первую очередь с тем, что энергокомпании не ведут учет реактивной мощности, потребляемой бытовыми потребителями. То есть вам не нужно платить за реактивную мощность.

Также в быту очень редко используют очень мощные устройства, которые потребляют большие токи, чтоб с помощью компенсатора значительно снизить ток. Довольно большим недостатком является также довольно большая периодичность изменения нагрузки (включение отключение), а также в паспортах бытовых аппаратов не указывается cosφ, что делает очень затруднительным расчет реактивной составляющей.

Давайте рассмотрим маленький пример: пусть в холодильнике будет установлен электродвигатель с такими параметрами – U_н =220 В,I_н =2,5 А,  cosφ =0,9.

Рассчитаем его полную мощность S=UI=220*2,5 =550 ВА, теперь активную мощность Р = UI cosφ = 220*2,5*0,9 = 495 Вт. Теперь можем определить реактивную мощность  , которая примерно в два раза меньше активной для этого двигателя.

Теоретически мы можем сконструировать компенсирующее устройство и обратить 240 ВАр в ноль. Да, можем, но что произойдет если холодильник выключится? Правильно, эти 240 ВАр будут уже генерироваться самим компенсатором и отдаваться в сеть. Во  избежание этой ситуации необходимо отключить компенсатор от сети. Вручную такие действия производить каждый раз бесперспективно, а создание автоматической системы включения и отключения этого прибора значительно его удорожит, а экономии от него не будет никакой.

Сравнение компенсаций реактивной мощности в быту и на производстве

На предприятиях при выборе компенсирующих устройств производятся тщательные расчеты реактивной составляющей, проводят исследования гармонических составляющих сети, а также производится экономический расчет целесообразности компенсации.

Над такими проектами могут работать целые научно-исследовательские институты.

Поверив менеджерам и купив устройство, которое якобы «за счет компенсации реактивной мощности» снизит потребляемую вами электроэнергию — вы просто выбросите деньги на ветер. Воткнув такое устройство в свою сеть дома без предварительных расчетов и знаний принципа работы именно вашего компенсатора вы рискуете не компенсировать реактивную мощность, а генерировать ее, что не есть хорошо, так как вместо понижения суммарного тока вашей цепи, вы его увеличите.

Посмотреть про компенсацию реактивной мощности вы можете здесь:

и здесь:

Активная, реактивная, полная мощность и коэффициент мощности

Мощностные характеристики нагрузки можно точно задать одним единственным параметром (активная мощность в Вт) только для случая постоянного тока, так как в цепи постоянного тока существует единственный тип сопротивления – активное сопротивление.

Мощностные характеристики нагрузки для случая переменного тока невозможно точно задать одним единственным параметром, так как в цепи переменного тока существует два разных типа сопротивления – активное и реактивное. Поэтому только два параметра: активная мощность (это полезная мощность, отбираемая нагрузкой, в том числе и ИБП, из электросети и преобразуемая в энергию любого иного вида (механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную и др.) и реактивная мощность ( это мощность или поток энергии, циркулирующий через реактивное сопротивление электрической цепи (емкостное или индуктивное).

Рассеяния энергии на реактивных элементах не происходит, так как полученная ими энергия от источника и энергия и возвращенная обратно в сеть в течение периода эквивалентны. Считается, что в большинстве случаев реактивная энергия (мощность), циркулирующая в электрической цепи, является паразитной и приводит к нежелательному разогреву проводников, а также к перегреву и ухудшению режимов работы прочих устройств сети, как генерирующих электричество, так и его потребителей. ) точно характеризуют нагрузку.

Принцип действия активного и реактивного сопротивлений совершенно различный. Активное сопротивление – необратимо преобразует электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, световую и т.д.) – примеры: лампа накаливания, электронагреватель (параграф 39, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007). Реактивное сопротивление – попеременно накапливает энергию затем выдаёт её обратно в сеть – примеры: конденсатор, катушка индуктивности (параграф 40,41, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).

Дальше в любом учебнике по электротехнике Вы можете прочитать, что активная мощность (рассеиваемая на активном сопротивлении) измеряется в ваттах, а реактивная мощность (циркулирующая через реактивное сопротивление) измеряется в варах; так же для характеристики мощности нагрузки используют ещё два параметра: полную мощность и коэффициент мощности.
Все эти 4 параметра:

1. Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт
2. Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)
3. Полная мощность:обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер)
4. Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ, единица измерения: безразмерная величина

Эти параметры связаны соотношениями:  S*S=P*P+Q*Q,   cosФ=k=P/S
Также cosФ называется коэффициентом мощности (Power Factor – PF)

Поэтому в электротехнике для характеристики мощности задаются любые два из этих параметров так как остальные могут быть найдены из этих двух.

То же самое и с источниками питания. Их мощность (нагрузочная способность) характеризуется одним параметром для источников питания постоянного тока – активная мощность (Вт), и двумя параметрами для ист. питания переменного тока. Обычно этими двумя параметрами являются полная мощность (ВА) и активная (Вт). См. например параметры ДГУ и ИБП.

Большинство офисной и бытовой техники, активные (реактивное сопротивление отсутствует или мало), поэтому их мощность указывается в Ваттах. В этом случае при расчёте нагрузки используется значение мощности ИБП в Ваттах. Если нагрузкой являются компьютеры с блоками питания (БП) без коррекции входного коэффициента мощности (APFC), лазерный принтер, холодильник, кондиционер, электромотор (например погружной насос или мотор в составе станка), люминисцентные балластные лампы и др. – при расчёте используются все вых. данные ибп: кВА, кВт, перегрузочные характеристики и др.

Нагрузочная способность ИБП и ДГУ нормирована на стандартную промышленную нагрузку (коэффициент мощности 0. 8 с индуктивным характером). Например, ИБП 100 кВА / 80 кВт. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 80 кВт, или смешанную (активно-реактивную) нагрузку максимальной мощности 100 кВА с индуктивным коэффициентом мощности 0.8. В стабилизаторах напряжения дело обстоит иначе.

Для стабилизатора напряжения коэффициент мощности нагрузки безразличен. Например, стабилизатор напряжения 100 кВА. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 100 кВт, или любую другую (чисто активную, чисто реактивную, смешанную) мощностью 100 кВА или 100 кВАр с любым коэффициентом мощности емкостного или индуктивного характера. Обратите внимание, что это справедливо для линейной нагрузки (без высших гармоник тока). При больших гармонических искажениях тока нагрузки (высокий КНИ) выходная мощность стабилизатора снижается.

Что такое активная и реактивная электроэнергия?

Меню Каталог Измерение и контроль Стационарные анализаторы сетей Измерительные трансформаторы и шунты Системы управления Программное обеспечение энергетического управления Переносные анализаторы сетей Цифровые контрольно-измерительные приборы Аналоговые контрольно-измерительные приборы . .. Показать все Защита и контроль Промышленная дифференциальная защита Дифференциальная и магнитотермическая защита с обратным подключением Реле и элементы управления Трансформаторы тока для защиты Измерительно-проверочное оборудование для CT Компенсация реактивной энергии и фильтрация гармоник Регуляторы реактивной энергии Конденсаторы и реакторы для низкого напряжения Батареи конденсаторов для низкого напряжения Фильтры гармоник Конденсаторы и устройства для среднего напряжения Батареи конденсаторов для среднего напряжения . .. Показать все Интеллектуальная перезарядка транспортных средств с электро- двигателем Внешняя перезарядка транспортных средств с электродвигателем

особенности оплаты, как найти формулу мощностей

Разбираясь в основных принципах электрики, важно понимать, что представляет собой активная и реактивная нагрузка. Первый тип энергии считается полезным и идет непосредственно на нужды потребителя, например, на обогрев здания, приготовление еды и работу электрических приборов. Вторая разновидность, реактивная, определяет ту часть энергии, которая не применяется для выполнения полезной работы.

Активная и реактивная мощность

Понятия активной и полной мощности могут иметь ряд противоречивых интересов со стороны клиентов и поставщиков. Потребитель пытается сэкономить на электроэнергии, оплачивая счета за расходуемые ресурсы, а поставщик ищет выгодные пути для получения полной суммы за оба типа энергии. Но есть ли способы совмещения таких требований? Да, ведь если свести объемы реактивной мощности к нулю, то это позволит приблизиться к максимальной экономии денежных средств.

Не секрет, что у некоторых потребителей электричества показатели полной и активной мощности сопоставимы. Связано это с тем, что они используют специальные приборы, нагрузка которых осуществляется с помощью резисторов. В их числе:

1. Лампы накаливания.
2. Электрические плиты.
3. Жарочные шкафы и духовки.
4. Обогревательное оборудование.
5. Утюги.
6. Паяльники.

Для определения мощности нагрузок можно использовать знакомую со школьных времен формулу, умножив ток нагрузки на сетевое напряжение. В таком случае будут задействованы следующие единицы измерения:

1. Амперы (А) — указывают на силу тока.
2. Вольты (В) — характеризуют текущее напряжение.
3. Ватты (Вт) — указывают на показатель мощности.

В последнее время все чаще можно замечать такую картину, что на застекленных балконах расположена тонкая блестящая пленка. Ее создают из бракованных конденсаторов, которые раньше использовались на распределительных подстанциях. Как известно, конденсаторы являются главными потребителями реактивной нагрузки, которые состоят из диэлектрика, не проводящего электрический ток (в качестве главного элемента задействуется полимерная пленка или бумага, обработанная маслом).

Для сравнения, у потребителей активной мощности роль главного элемента выполняет проводящий ток материал, такой как вольфрамовый проводник, нихромовая спираль и другие.

Емкостные нагрузки

Пытаясь понять, как найти реактивную мощность, необходимо разбираться в особенностях и принципе действия конденсаторов. Блестящие поверхности, которые расположены на балконе, являются обкладками конденсаторов из токопроводящего материала. Они отличаются способностью накапливать электроэнергию, а затем передавать ее для потребительских нужд. По сути, конденсаторы используются в качестве своеобразной аккумуляторной батареи.

А если присоединить конструкцию к источнику постоянного тока, это позволит зарядить ее кратковременным импульсом электротока, который со временем потеряет свою мощность. Для возвращения прежнего состояния конденсатора, достаточно отключить его от источника напряжения и подключить к обкладкам нагрузку. В течение какого-либо времени через нагрузку будет подаваться ток. В идеале, конденсатор должен отдать столько энергии, сколько он получил вначале.

Если подключить его к лампочке, это позволит ей на короткое время вспыхнуть, при этом неосторожный человек может даже получить незначительный удар током, если коснется к открытым контактам. Более того, если показатели напряжения довольно высокие, это может привести к фатальному исходу — смерти.

При присоединении конденсаторов к переменному току ситуация выглядит немного иначе. Так как источник переменного напряжения характеризуется свойством постоянно менять полярность, конденсаторный элемент будет постоянно разряжаться и заряжаться, пропуская переменный ток. Однако его значения не будут совпадать с напряжением источника, а составят на четверть периода больше.

Конечные показатели будут выглядеть следующим образом: примерно половину периода конденсатор будет получать электроэнергию от источника, а другую половину — отдавать потребителю. Это значит, что суммарный показатель активной мощности составит нулевое значение. Однако из-за того, что через конденсатор постоянно протекает значительный ток, для измерения которого используется амперметр, его относят к потребителям реактивных мощностей. Формула реактивной мощности вычисляется как произведение тока на напряжение, но в этом случае единицей измерения становится вольт-ампер реактивный (ВАр), а не Вт.

Реальные потребители

Разбираясь, как найти активную мощность, люди задумываются, что будет, если попытаться подключить емкостную и индуктивную нагрузку одновременно и параллельно. В таком случае реакция будет осуществляться противоположным образом, а конечные значения начнут компенсировать себя.

При определенных обстоятельствах можно достичь идеальной компенсации, но выглядит это парадоксально: подключенные амперметры отреагируют на значительные токи, а также их полное отсутствие. Но важно понимать, что идеальных конденсаторов не существует (то же самое касается катушек индуктивности), поэтому идеализация — это условная картина для расширенного понимания процессов.

Что касается реальной ситуации, то в бытовых условиях потребители расходуют чисто активную мощность, а также смешанную активно-индуктивную. В последнем случае основными потребителями являются такие приборы:

1. Электрические дрели.
2. Перфораторы.
3. Электрические двигатели.
4. Холодильники.
5. Стиральные машины.
6. Другая бытовая техника.

К тому же, к таким потребителям относятся электрические трансформаторы источников питания бытового оборудования и стабилизаторов напряжения. При смешанной нагрузке, кроме полезной, потребляется еще и реактивная, при этом ее значения могут превышать показатели активной мощности. В качестве единицы измерения полной мощности используется вольт-ампер.

В электротехнике присутствует такое понятие, как «косинус фи» или коэффициент мощности. Оно указывает на отношение активной мощности к реактивной. При использовании активных нагрузок, сопоставимых с реактивными, показатель cos φ равен 1. При совмещении емкостных и индуктивных нагрузок с нулевой активной мощностью значение «косинуса фи» будет составлять нулевое значение. Если речь идет о смешанных нагрузках, то коэффициент мощности будет варьироваться от 0 до 1.

Оплата электричества

Разобравшись, как найти активную и реактивную мощность, в чем может измеряться такое значение и как описать его простым языком, остается задать логичный вопрос, за что платит реальный потребитель, пользуясь электричеством. Оплачивать полную (реактивную) энергию нет смысла. Однако в этом вопросе существует множество подводных камней, которые кроются в незначительных деталях.

Как известно, смешанная нагрузка способствует повышению тока в электросети, в результате чего могут возникать разные трудности на электростанциях, где происходит выработка электричества синхронными генераторами. Дело в том, что индуктивные нагрузки вызывают «развозбуждение» генератора, а чтобы вернуть его в начальное состояние, придется потратить реальную активную энергию, то есть переплатить массу денежных средств. Есть смысл сделать реактивную мощность платной, так как это заставит клиента компенсировать полную составляющую нагрузок.

Если возникает необходимость оплачивать оба типа мощностей по отдельности, то потребитель может рассмотреть вариант монтажа специальных батарей конденсаторов, которые будут запускаться только по графику при достижении определенного уровня потребления электроэнергии. К тому же, есть возможность выполнить монтаж профессионального оборудования в виде компенсаторов реактивной энергии, которые подключают конденсаторы при росте количества потребляемой мощности. Они эффективно поднимают «косинус фи» с 0,6 до 0,97, то есть практически до отметки 1.

К тому же, согласно текущим нормам, если клиент использовал не больше 0,15 коэффициента мощности, то он освобождается от необходимости выполнять плату за полную нагрузку. Тем не менее, большинство индивидуальных потребителей используют совсем незначительный объем электричества, поэтому проводить разделение счетов на оплату двух типов энергии нецелесообразно.

К тому же, во многих зданиях установлены однофазные счетчики, которые не способны отслеживать расход реактивных электрических нагрузок, поэтому чек за электроэнергию выставляется с учетом израсходованной активной энергии.

Полезные советы

Заниматься компенсированием индуктивных нагрузок не совсем целесообразно, так как среднестатистический потребитель использует незначительное количество активной нагрузки. Да и обустройство приборов, разделяющих потоки, требует больших вложений и выглядит сложно в техническом плане.

Подключенные конденсаторы при отключении нагрузок бесполезно нагружают электропроводку. В некоторых случаях производители счетчиков оснащают их входы компенсационными конденсаторами с индуктивной нагрузкой. При правильной конфигурации такие элементы могут снизить энергопотери, а также немного поднять напряжение на приборе путем уменьшения падения напряжения на проводе подводки.

К тому же, компенсация реактивной энергии позволит снизить уровень токов по всей линии электропитания, что положительно скажется на экономии электричества и предотвратит чрезмерные энергопотери.

Вычислить трехфазные мгновенные активные и реактивные мощности

Вычислить трехфазные мгновенные активные и реактивные powers

Библиотека

Simscape / Электрооборудование / Специализированные энергосистемы / Управление и измерения / Измерения

Simscape / Электрооборудование / Специализированные энергосистемы / Основные блоки / Измерения / Дополнительные измерения

Описание

Блок питания (3-фазный, мгновенный) вычисляет трехфазный мгновенная активная мощность P (в ваттах) и реактивная мощность Q (в варах) связаны с периодическим набором трехфазных напряжений и токов. Эти формулы используются для выполнения расчетов:

P = Va⋅Ia + Vb⋅Ib + Vc⋅IcQ = 13 [(Vb − Vc) ⋅Ia + (Vc − Va) ⋅Ib + (Va − Vb) ⋅Ic]

По этим формулам ток, протекающий в цепи RL, производит положительный P и положительный Q.

Расчетная мгновенная реактивная мощность является точной только для сбалансированные трехфазные напряжения и токи без гармоник.

Входы и выходы

Vabc

Трехфазный сигнал напряжения.

Iabc

Трехфазный токовый сигнал.

P

Трехфазная мгновенная активная мощность P, в ваттах.

Q

Трехфазная мгновенная реактивная мощность Q в вар.

Примеры

Модель power_ThreePhasePower сравнивает выходы блока с Power (положительная последовательность) блок и блок Power (dq0, Instantaneous). Это показывает, что Блок питания (3-фазный, мгновенный) дает точные результаты, когда напряжение и токи сбалансированы и свободны от гармоник. Когда напряжение питания становится несбалансированным, на выходе P появляется пульсация, и появляется ошибка на выходе Q.

Время выборки модели параметрируется набором переменных Ts. значение по умолчанию 50e-6 с. Установите для Ts значение 0 в командном окне и изменить Тип моделирования параметр Powergui block to Continuous для моделирования модели в непрерывном режиме.

Представлен в R2013a

Активная мощность, реактивная мощность и коэффициент мощности

1.0 Введение

Многие практикующие инженеры-электрики, некоторые даже в коммунальном хозяйстве, не имеют четкого понимания концепций активной и реактивной мощности, а также отстающих и опережающих коэффициентов мощности в линиях электропитания. Многие действительно имеют о них неявное знание, достаточное при любых нормальных обстоятельствах. В этой заметке сделана попытка вывести эти концепции из основных принципов закона Ома и I ² R power. Это также приведет к лучшему пониманию вопросов качества электроэнергии, поставляемой потребителям.

2,0 Основы

Мощность в электрической цепи обычно понимается как произведение I ² R сопротивления и тока в квадрате. По закону Ома это также выражается как VI или V ² / R, где I, V и R — обычные представления для тока, напряжения и сопротивления. Приведенные выше выражения остаются в основном верными, пока мы рассматриваем цепи постоянного тока (DC). Когда вы рассматриваете переменные токи, входное напряжение чередуется между положительным и отрицательным напряжением в виде синусоидальной волны (обычно) с частотой 50 или 60 циклов в секунду.В этой динамической ситуации важность приобретают два других основных элемента схемы, а именно, индуктивность (L) и емкость (C). Они вместе называются реактивным сопротивлением (X), и они, наряду с сопротивлением (R), сильно влияют на ток в цепи. Когда напряжение прикладывается к цепи с реактивным сопротивлением (X), требуется некоторое время, чтобы ток установился в состоянии устойчивого состояния из-за наведенного напряжения на индуктивности и из-за зарядки емкости.Даже в случае подачи переменного напряжения результирующий переменный ток достигает состояния устойчивого состояния, но из-за эффектов наведенного напряжения и заряда емкости возникает смещение между формами волны тока и напряжения. Это смещение известно как фазовый угол между переменным напряжением и током. Возвращаясь к нашему обсуждению электрической мощности, V * I по-прежнему является мощностью, но в данном случае это переменная мощность. Сначала рассмотрим цепь переменного тока только с резистивной нагрузкой.Как и раньше I ² R — это мощность, потребляемая в цепи. Поскольку ток переменный, мощность также будет «переменной». Таким образом, средняя мощность в цепи будет R умножена на среднее значение I ² за цикл переменного тока. Это среднее значение I ² за цикл называется среднеквадратическим значением. Квадратный корень из этого тока известен как среднеквадратическое значение или I _RMS . Таким же образом мы можем определить V _RMS для формы волны напряжения.Не вдаваясь в строгую математику, мощность в цепи переменного тока с резистивной нагрузкой можно выразить как:

Мощность, P = I _RMS ² .R = V _RMS ² / R = V _RMS * I _RMS .

Для чисто синусоидальной формы сигнала среднеквадратичное значение = пиковое значение / √2

3,0 Комплексная мощность

Теперь давайте рассмотрим цепь переменного тока с сопротивлением (R) и реактивным сопротивлением (X). Чтобы представить сопротивление и реактивное сопротивление вместе, у нас есть термин, известный как импеданс (Z).Как обсуждалось ранее, мощность может быть выражена как I ² Z или V ² / Z. Чтобы включить анализ цепи переменного тока, все эти параметры выражаются в виде векторов или комплексных чисел, как показано ниже:

Напряжение V = V e ^jo = V + j0 —- (Ссылка)

Ток C = I e ^{— j Ø} = Ia — jIr

Импеданс Z = Z e ^{j Ø} = R + jX

Общая мощность = V * C ^* = V * I e ^{j Ø} = P + jQ

[где Ø = arctan (X / R)]

Общая мощность, указанная в приведенном выше выражении, обычно известна как полная мощность, S, выраженная в вольт-амперах (ВА).В Z, если реактивное сопротивление X равно нулю, тогда Ir будет нулевым, следовательно, Ir известен как реактивный ток. Таким же образом, если R равно нулю, Ia будет равно нулю, поэтому он известен как резистивный ток или более широко известный как активный ток.

Теперь у нас сверху

S = V * (I cos Ø + j I sin Ø) = P + jQ = V * Ia + jV * Ir

Этот угол Ø сразу распознается как сдвиг фаз между сигналами напряжения и тока, возникающий из-за наличия реактивного сопротивления X в цепи. В момент, когда «V» достигает своего пикового значения синусоидальной волны от, «I» будет отставать и будет иметь значение только I cosØ.Активная мощность P — это фактическая активная мощность в цепи, тогда как Q — это мнимая мощность, генерируемая наведенной ЭДС в индуктивности (и ЭДС заряда в емкости) в качестве реакции на (синусоидально) изменяющееся приложенное напряжение. Следовательно, Q называется реактивной мощностью, выраженной в вольта-амперных реактивных единицах (ВАР).

Теперь мы готовы записать полные выражения для мощности в цепи переменного тока с сопротивлением и реактивным сопротивлением как,

Величина кажущейся мощности | S | = V _RMS .I _RMS (ВА)

Активная мощность P = V _RMS . I _RMS cos Ø, (Ватт)

Реактивная мощность Q = В _RMS . I _RMS sin Ø (VAR)

Термин «cos Ø» известен как коэффициент мощности.

4,0 Влияние частоты и искажений

Еще одним важным фактором является то, что значение реактивного сопротивления X зависит от частоты. Индуктивное реактивное сопротивление X _L увеличивается прямо пропорционально частоте, тогда как емкостное реактивное сопротивление X _C уменьшается обратно пропорционально частоте.В современных энергосистемах есть потребители, нагрузки которых включают намного больше динамических элементов в дополнение к L и C в виде выпрямителей, нелинейных нагрузок и импульсных источников питания для электронных схем и т. Д. Эти нагрузки имеют тенденцию искажать формы волны тока и напряжения. вдали от чистой синусоиды. Для анализа таких схем считается, что формы тока и напряжения имеют несколько гармонических составляющих, наложенных на базовую синусоидальную волну 50 или 60 Гц. Расчеты мощности усложняются, если эти гармоники значительно выше.Даже в цепях постоянного тока так называемая рябь оказывает аналогичное негативное влияние на расчеты мощности.

5,0 3-фазное питание

Пока что мы ограничились обсуждением однофазных цепей переменного тока. Теперь перейдем к 3-фазному переменному току.

С этого момента V и I означают только среднеквадратичные значения, если не указано иное.

Тривиально мы можем написать для 3-фазного переменного тока,

P = 3 (В I) cosØ

Однако мы должны указать, что и V, и I относятся к фазам.В нормальной ситуации напряжение между фазами (известное как линейное напряжение) более важно, чем напряжение каждой фазы (фазовые напряжения). В 3-фазной системе

V = V (линия) = √3 * V (фаза), и, следовательно,

P = √3 (V I) cosØ и Q = √3 (V I) sinØ

6.0 Фазовый угол отставания и опережения

Ø уже распознается как угловое смещение между синусоидами напряжения и тока цепи. Это смещение является результатом наличия в цепи индуктивности и / или емкости.Индуцированное напряжение на индуктивности заставляет ток отставать от напряжения на фазовый угол Ø, тогда как задержка в зарядке емкости заставляет ток опережать напряжение на фазовый угол Ø. Соответственно, фазовый угол Ø будет (+) положительным или (-) отрицательным. Активная мощность P остается положительной в любом случае, тогда как реактивная мощность Q меняет знак в соответствии с индуктивностью или емкостью в цепи. Можно заметить, что запаздывающая реактивная мощность Q отображается как положительная в более ранних выражениях для комплексной мощности.Отставание Q считается потреблением отстающей реактивной мощности. Опережающая реактивная мощность отрицательна и иногда считается поколение отстающей реактивной мощности.

7,0 Активная и реактивная мощность.

Активная мощность — это реальная мощность, в результате которой выполняется фактически выполненная работа. Реактивная мощность — необходимая неприятность. Индуктивная нагрузка требует более высокого тока при той же мощности, и поэтому источник питания также должен обеспечивать этот повышенный ток.Поскольку этот увеличенный ток не приводит к выполнению какой-либо фактической работы, он называется реактивным током Ir. Ток I в цепи разделен на две составляющие: одна составляющая Ia находится в фазе с напряжением, а другая составляющая Ir с фазовым углом 90 градусов отстает от напряжения. Эта запаздывающая реактивная мощность требует компенсации от источника за счет «генерации» этой реактивной мощности. Это выполняется динамически с помощью следующего процесса: при неизменной активной мощности (скажем), если реактивная нагрузка увеличивается, это приводит к: (а) потребности в более высоком токе, (б) что приводит к постоянному падению напряжения, (в) напряжению регулятор на стороне генератора определяет это, (d) напряжение на клеммах генератора снимается автоматически или вручную (практически для той же выходной мощности), (e) фазовый угол между напряжением и током увеличивается, что приводит к более высокой выработке реактивной мощности в соответствии с требованиями система.Но генераторы в системе имеют ограничения мощности по выработке реактивной мощности и общей выработке вольт-ампер. Это может в конечном итоге привести к более низким напряжениям во всей системе, когда требуемая реактивная мощность системы превышает общую реактивную мощность генераторов в системе. Выработка реактивной мощности сравнительно бесплатна. Но генерировать то же самое на стороне генератора, а затем передавать его на конец нагрузки, где это требуется, стоит энергоснабжающей организации в виде более высоких потерь при передаче .Следовательно, компенсация реактивной мощности более эффективно выполняется на стороне нагрузки за счет использования шунтирующих конденсаторных батарей. Мы знаем, что конденсаторы действуют как опережающие реактивные нагрузки. Но в этом контексте мы используем их как запаздывающие источники. В общем, в энергосистеме общего пользования — , точно так же, как мы уравновешиваем потребность в активной мощности с выработкой активной мощности, используя частоту в качестве нашего индекса — потребность в реактивной мощности уравновешивается генерацией реактивной мощности с использованием напряжения системы в качестве индекса .В этом процессе, помимо генераторов, шунтирующие конденсаторы также участвуют в качестве отстающих реактивных источников. Для управления напряжением / реактивностью в энергосистемах коммунальные предприятия также используют устройство, известное как синхронные конденсаторы, в общих чертах описываемое как генераторы переменного тока без первичного двигателя, которые могут генерировать только реактивную мощность, как опережающую, так и запаздывающую.

8,0 Направление потока активной и реактивной мощности

Даже если переменный ток попеременно течет в обоих направлениях, направление переменного тока всегда оказывается положительным в направлении потока мощности.При расчетах баланса мощности в любом узле энергосистемы по соглашению, принятому большинством коммунальных предприятий, исходящая мощность от узла принимается как положительная, а входящая мощность — как отрицательная. Для детального обсуждения направлений потока активной и реактивной мощности перейдите по ссылке ниже

Направление потока активной и реактивной мощности

Ссылка также включает рисунок, показывающий квадрантный принцип коэффициента мощности.

9.0 Контроль коэффициента мощности

Коэффициент мощности уже был определен ранее как косинус фазового угла между формами волны напряжения и тока в электрической цепи переменного тока.Это важный параметр, который влияет на качество электроснабжения, а также на производительность энергосистемы. Следовательно, коэффициент мощности требует, чтобы контролировался на всех важных узлах в энергосистеме, а также во всех точках основного источника питания. Но что такое коэффициент мощности? Это просто мера требуемой реактивной мощности, требуемой для различных типов подключенных нагрузок. В трехфазной системе электроснабжения переменного тока коэффициент мощности является довольно неоднозначным измерением по следующим причинам — фазовый угол между формами сигналов тока и напряжения, скорее всего, будет значительно различаться между тремя фазами — формы сигналов как тока, так и напряжения могут не сохраняться. строго синусоидальный из-за наличия гармоник, влияющих на фазовый угол и коэффициент мощности.Чтобы решить некоторые из этих неоднозначностей в коэффициенте мощности, как он определен (иногда называемый коэффициентом смещения , ), другой член, истинный коэффициент мощности определяется как отношение полной активной мощности к полной полной мощности. Штрафы для коммунальных предприятий и другие решения по повышению производительности энергосистемы основаны на этом фактическом коэффициенте мощности .

Кроме того, возникают проблемы при онлайн-мониторинге коэффициента мощности.Коэффициент мощности варьируется в диапазоне от 0 до 1. Значение как таковое не говорит о том, является ли оно отстающим или опережающим. Некоторые коммунальные предприятия используют диапазон от «-1 до 0 до +1», чтобы коэффициент мощности изменялся от отставания до опережающего коэффициента мощности! В этом представлении средний диапазон, скажем, от -0,5 до +0,5 является неприемлемым диапазоном. Концы этого диапазона, -1 и +1, по существу одинаковы, представляя единичный коэффициент мощности без фазовой задержки или опережения. Такое представление коэффициента мощности, как измерение, кажется нелепым. (для этого параметра невозможно определить даже пределы для условий LOLO, LO, HI и HIHI).

Некоторые производители счетчиков энергии используют диапазон от 0 до 100 до 200 для pf; От 0 до 100 представляют «отставание от pf от 0 до 1» и от 100 до 200, представляющее «опережающее значение pf от 1 до 0». Многим инженерам-коммунальным компаниям не нравится такое использование. Автор этой заметки решил эту проблему в индийской утилите, определив две pfs, а именно: ‘Leading pf’, изменяющуюся от 0 до 1 и ‘Lagging pf’, изменяющуюся от 0 до 1. Оба были получены как расчетные точки на основе фактического измерения пф.

Кроме того, pf — параметр, который сложно измерить, и он сильно колеблется.По всем вышеперечисленным причинам автор этой заметки считает, что pf может не служить хорошим параметром для мониторинга, и мы можем подумать о других способах достижения мониторинга требований реактивной мощности в системе. Возможно, для этой функции лучше подходит tan Ø вместо cos Ø. Tan Ø изменяется от — (бесконечность) до 0 до + (бесконечность), а Ø изменяется от -90 до 0 до +90. Он дает отношение реактивной мощности к активной мощности и, следовательно, может быть назван «реактивным фактором». Штрафы коммунальных предприятий и другие решения по повышению производительности энергосистемы могут быть основаны на этом реактивном коэффициенте . Этот реактивный фактор легко контролировать . Это только предложение для дальнейшего рассмотрения операторами энергосистем и экспертами.

10,0 Заключение

В приведенном выше примечании была сделана попытка разрешить некоторые неоднозначности, которые ощущают многие практикующие инженеры-электрики и промышленные инженеры-электрики при понимании концепций реактивной мощности и коэффициента мощности. Также объясняется влияние требований к высокой реактивной мощности на энергосистему и необходимость штрафовать потребителей с низким КПД.Буду рад предложениям и комментариям.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Теги: Электричество

Эта запись была опубликована 19 февраля 2010 г. в 11:11 и размещена в разделе «Электроэнергетика, инженерия». Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через канал RSS 2.0. Вы можете оставить отзыв или откликнуться со своего сайта.

Важность реактивной мощности в производстве и передаче электроэнергии

Важность реактивной мощности возрастает с ростом спроса на электроэнергию со стороны многих бытовых и промышленных предприятий в сети энергосистемы. Стабильность и надежность системы электроснабжения зависят от управления реактивной мощностью.

Требуется более эффективное, надежное и экономичное производство энергии. Эффективный способ доставки электроэнергии использует такие технологии, как FACTS (гибкая система передачи переменного тока), SVC (компенсация статического напряжения) и т. Д. Для поддержания стабильности напряжения, высокого коэффициента мощности и снижения потерь при передаче.Реактивная мощность играет решающую роль в сети энергосистемы.

Важность реактивной мощности

Системы электроснабжения переменного тока вырабатывают и потребляют два типа мощности; активная и реактивная мощность. Реальная мощность или активная мощность — это истинная мощность, отдаваемая любой нагрузке. Он выполняет полезную работу, например, осветительные лампы, вращающиеся двигатели и т. Д.

С другой стороны, реактивная мощность — это мнимая мощность или полная мощность, которая не выполняет никакой полезной работы, а просто перемещается взад и вперед по линиям энергосистемы.Это побочный продукт систем переменного тока, производимый индуктивными и емкостными нагрузками. Он существует, когда есть сдвиг фаз между напряжением и током. Он измеряется в реактивных вольт-амперных единицах (ВАР).

3 Причины важности реактивной мощности

1. Регулировка напряжения

Оборудование энергосистемы рассчитано на работу в пределах ± 5% номинального напряжения. Колебания уровней напряжения приводят к неисправности различных устройств. Высокое напряжение повреждает изоляцию обмоток, в то время как низкое напряжение приводит к ухудшению работы различного оборудования, например, к слабому освещению лампочек, перегреву асинхронных двигателей и т. Д.

Если потребляемая мощность больше, чем мощность, потребляемая передающими линиями, ток, потребляемый из линий питания, увеличивается до более высокого уровня, что вызывает резкое падение напряжения на стороне приема. Дальнейшее снижение этого низкого напряжения приводит к отключению генераторных установок, перегреву двигателей и отказу другого оборудования.

Чтобы преодолеть это, реактивная мощность должна подаваться на нагрузку с помощью реактивных катушек индуктивности или реакторов в линиях передачи. Мощность этих реакторов зависит от количества поставляемой полной мощности.

Регулирование напряжения с помощью реактивной мощности

Если потребляемая мощность меньше подаваемой реактивной мощности, напряжение нагрузки повышается до более высокого уровня, что приводит к автоматическому отключению передающего оборудования, низкому коэффициенту мощности, нарушениям изоляции кабелей и обмоток различных механических устройств. .

Чтобы преодолеть это, необходимо компенсировать дополнительную реактивную мощность, доступную в системе. Различное компенсационное оборудование — это синхронные конденсаторы, шунтирующие конденсаторы, последовательные конденсаторы и другие фотоэлектрические системы.Эти устройства подают емкостную реактивную мощность для компенсации индуктивной реактивной мощности в системе.

Из приведенного выше обсуждения мы можем сказать, что полная мощность требуется для поддержания уровней напряжения в пределах, установленных для стабильности систем передачи.

2. Отключение электроэнергии

Отключение электроэнергии

Несколько отключений электроэнергии, например, во Франции в 1978 г., северо-восточных странах в 2003 г., во многих частях Индии в 2012 г., показали, что недостаточная реактивная мощность в системе электроснабжения является основной причиной ситуации затемнения.Это вызвано тем, что потребность в полной мощности необычно высока из-за передачи на большие расстояния.

Это в конечном итоге приводит к отключению различного оборудования и энергоблоков из-за низкого напряжения. Поэтому для обеспечения правильной работы электрической системы в ней должно присутствовать достаточное количество реактивной мощности.

3. Правильная работа различных устройств / машин

Правильная работа различных устройств и машин

Трансформаторам, двигателям, генераторам и другим электрическим устройствам требуется реактивная мощность для создания магнитного потока.Это связано с тем, что генерация магнитного потока необходима этим устройствам для выполнения полезной работы. На приведенном выше рисунке реактивная мощность, обозначенная красным цветом, помогает создать магнитное поле в двигателе, но приводит к снижению коэффициента мощности. Вот почему конденсатор помещен для компенсации индуктивной реактивной мощности за счет подачи емкостной реактивной мощности.

Источники и приемники реактивной мощности

Большая часть оборудования, подключенного к системам электроснабжения, потребляет или производит полную мощность, но не все они регулируют уровни напряжения.Генераторы электростанций вырабатывают как активную, так и реактивную мощность, тогда как конденсаторы вводят реактивную мощность для поддержания уровней напряжения. Некоторые из источников и стоков приведены на диаграмме ниже.

Источники и приемники реактивной мощности

2 типа источников

Существует два типа источников реактивной мощности, а именно динамические и статические источники реактивной мощности.

Динамические источники реактивной мощности

К ним относятся передающее оборудование и устройства, которые способны быстро реагировать на изменения реактивной мощности, вводя или обеспечивая достаточное количество реактивной мощности в электрическую систему.Они имеют высокую стоимость, и некоторые из этих устройств приведены ниже.

• Синхронные генераторы: в синхронных машинах изменяется генерируемая активная и реактивная мощность в зависимости от напряжения возбуждения. АРН (автоматические регуляторы напряжения) используются для управления реактивной мощностью в рабочем диапазоне этих машин.

• Синхронные конденсаторы: это типы небольших генераторов, используемых для выработки реактивной мощности без выработки реальной мощности.

• Твердотельные устройства: к ним относятся силовые электронные преобразователи и устройства, такие как устройства FACTS от SVC.

Источники статической реактивной мощности

Это недорогие устройства, которые реагируют на изменение реактивной мощности несколько меньше, чем устройства динамической мощности. Некоторые из статических ресурсов приведены ниже.

• Емкостные и индуктивные компенсаторы: они состоят из нескольких шунтирующих конденсаторов и катушек индуктивности, подключенных к системе для регулировки напряжения системы. Конденсатор генерирует полную мощность, а катушка индуктивности поглощает реактивную мощность.

• Подземные кабели и воздушные линии: ток, протекающий по кабелям и воздушным линиям, создает чистый магнитный поток, который генерирует реактивную мощность.Слабонагруженная линия действует как генератор реактивной мощности, а сильно нагруженная линия действует как поглотитель реактивной мощности.

• Фотовольтаические системы: используются для ввода активной мощности, а также для компенсации гармонических и реактивных мощностей в сетевых системах с помощью фотоэлектрической энергии.

Различные поглотители реактивной мощности

Реактивная мощность, вырабатываемая генераторами и другими источниками, поглощается некоторыми из нагрузок, которые указаны ниже. Это вызывает потери в этих устройствах; следовательно, на эти нагрузки необходимо устанавливать компенсационные устройства.

• Асинхронный двигатель (насосы и вентиляторы)
• Трансформаторы
• Синхронные машины с возбуждением
• Линии передачи с большой нагрузкой

Это все о важности реактивной мощности. Я хотел бы поблагодарить читателей за то, что они потратили время на эту статью. Вот вопрос для заинтересованных читателей — что такое коэффициент мощности и как добиться компенсации коэффициента мощности. Просим писать ответы в разделе комментариев ниже.

Фото:

Важность реактивной мощности с помощью peguru
Контроль напряжения с помощью реактивной мощности с помощью sari-energy
Электрические отключения от lonnypaul
Правильная работа различных устройств / машин от vanrijnelectric
Источники и приемники реактивной мощности от cheers4all

Smart Inverter с активным регулированием мощности и компенсацией реактивной мощности :: Science Publishing Group

Интеллектуальный инвертор с активным регулированием мощности и компенсацией реактивной мощности

Zaiming Fan ¹ , Xiongwei Liu ²

¹ Факультет здравоохранения и науки, Университет of Cumbria, Lancaster, United Kingdom

² Entrust, The Innovation Center, Science Technology Daresbury, Cheshire, United Kingdom

Адрес электронной почты:

(Zaiming Fan) (Xiongwei Liu)

Для цитирования:

Zaiming Fan , Xiongwei Лю.Интеллектуальный инвертор с активным контролем мощности и компенсацией реактивной мощности. Журнал электротехники и электроники. Vol. 3, No. 5, 2015, pp. 139-145. doi: 10.11648 / j.jeee.20150305.17

Аннотация: Обычные сетевые однофазные инверторы генераторов возобновляемой энергии (типичные солнечные фотоэлектрические системы) имеют ограниченную способность компенсации реактивной мощности и не имеют активного контроля мощности. В этой статье представлена ​​новая стратегия управления, которая обеспечивает управление активной мощностью с компенсацией реактивной мощности для инвертора постоянного / переменного тока, подключенного к однофазной сети переменного тока, который подает электроэнергию на местные нагрузки.Посредством выборки мгновенного тока в сети на стороне локальной нагрузки, который представляет ток бытовой нагрузки, создается ортогональный сигнал с использованием обобщенного интегратора второго порядка. Затем активный и реактивный ток местных нагрузок быстро отделяется от ортогонального сигнала с помощью специального тригонометрического расчета. Эталонный ток для выхода инвертора получается путем объединения активного тока и реактивного тока, который отделяется от тока внутренней нагрузки.Сравнение эталонного тока с выходным током инвертора генерирует сигналы ШИМ, которые используются для управления IGBT-устройствами моста инвертора с емкостным сопротивлением на выходе для достижения внутренней компенсации реактивной мощности для индуктивных нагрузок. Выходной ток значительно увеличивает нагрузочную способность сети и снижает потребность в реактивной мощности от герид.

Ключевые слова: подключение к сети, инвертор, активный, реактивный, SOGI

1. Введение

Электросеть обеспечивает как активную мощность, так и реактивную мощность для удовлетворения требований применения нелинейных нагрузок, таких как асинхронные двигатели, приводящие в движение бытовые приборы, требующие большого количества реактивной мощности.Поэтому колебания спроса на реактивную мощность влияют на баланс напряжения сети. С высокой степенью проникновения распределенных источников энергии, таких как однофазные фотоэлектрические системы генерации электроэнергии, несбалансированное напряжение может легко выйти за пределы, из-за чего инвертор перестанет подавать мощность в сеть даже при сильном солнечном облучении [1] [2]. Фидер произвольно и географически расширяется, что создает огромную проблему для поиска подходящего подхода для достижения компенсации реактивной мощности для стабилизации напряжения в местной электросети.Установленные на жилых терминалах статические компенсаторы принесут жителям дополнительные расходы. Коммунальные предприятия рассматривают возможность зарядки реактивной мощности. Например, ведущий дистрибьютор электроэнергии Италии решил установить более 20 миллионов бытовых электросчетчиков с измерением активной и реактивной мощности [3]. Для безопасной работы электросети и повышения качества электроэнергии инфраструктура электросети должна быть разумно настроена, а также иметь оптимальные методы управления, которые могут плавно регулировать амплитуду, ток, частоту и фазовый угол.Надежная и экономичная работа энергосистемы во многом зависит от ее управляемости, т. Е. От управления мощностью, включая управление активной и реактивной мощностью. Электромеханические колебания широко наблюдались во многих энергосистемах мира [4]. Существует ряд ситуаций, которые могут вызвать колебания энергосистемы, например, быстрый возбудитель для ветряного генератора, колебания нагрузок и прерывистость распределенной выработки электроэнергии, например колебания выработки возобновляемой энергии.Проблемы с колебаниями могут привести к отключению энергосистемы или отключению электроэнергии [5]. Нагрузочная способность энергосистемы зависит от требований активной и реактивной мощности, получаемой от распределенных линий. По мере того, как мощность нагрузки энергосистемы приближается к своей максимальной критической точке, требования как активной, так и реактивной мощности быстро возрастают. Следовательно, опоры реактивной мощности должны быть доступны локально [6].

В настоящее время основной подход к решению проблемы компенсации реактивной мощности заключается в подключении устройства гибкой системы передачи переменного тока (FACTS) параллельно с линией питания.Существует ряд контроллеров FACTS [7], разработанных инженерами для гашения колебаний мощности [4] [8], таких как статические компенсаторы переменного тока (SVC), последовательный конденсатор с тиристорным управлением (TCSC), статический синхронный последовательный компенсатор ( SSC), унифицированный контроллер потока мощности (UPFC) и статический синхронный компенсатор (STATCOM). Среди доступных устройств FACTS, STATCOM является хорошим устройством для внедрения в возобновляемые источники энергии для улучшения динамической стабильности, стабильности в установившемся режиме и стабильности в переходных процессах [9] [10].

Микро-возобновляемые источники энергии взаимодействуют с электросетью с помощью инверторов, которые подают мощность в сеть в максимально возможной степени. Иногда нагрузкам микросети может потребоваться синусоидальный ток, который не совпадает по фазе с напряжением микросети [11]. Обычный инвертор скорее рассматривает, как подать максимальную мощность в сеть, насколько это возможно, независимо от обстоятельств, даже работая в ситуации, когда величина напряжения сети приближается к краху из-за большого количества возобновляемых источников энергии, установленных в сообществе.В результате этого инвертор останавливает вывод, чтобы соответствовать стандарту Технической Рекомендации G83 [2].

Обобщенные интеграторы второго порядка (SOGI), основанные на схеме фазовой автоподстройки частоты (PLL), хорошо известны. Некоторые исследователи успешно расширили применение в различных целях, таких как синхронный сигнал с преобразованием в сеть, в применении активного выпрямителя, активных фильтров, источников бесперебойного питания и распределенной генерации и т. Д. [12].

Рисунок 1. Предусмотрены векторные отношения между токами и напряжением.

На рисунке 1 показаны векторные соотношения между выходным током инвертора, током нагрузки I _L и напряжением сети v _g . Ток нагрузки I _L можно разложить на активный ток I _Ld и реактивный ток I _Lq соответственно. Как показано на рисунке 2, выходной ток инвертора I _o разложен на активный компонент I _od и реактивный компонент I _oq .Если I _oq имеет ту же величину реактивной составляющей тока нагрузки I _Lq и противоположное направление, реактивная мощность всей системы может быть полностью компенсирована инвертором, тогда он может подавать активную мощность в сеть с компенсация реактивной мощности.

2. Стратегии контроля

2.1. Общая методология управления

Посредством приведенного выше анализа компенсация внутренней реактивной мощности однофазной сети может быть достигнута путем регулирования мгновенного реактивного тока, который разлагается из выходного тока однофазного инвертора в соответствии с теорией мгновенной активной и реактивной мощности.

Теория мгновенной активной и реактивной мощности, известная как теория d-q, является наиболее широко используемой техникой генерации эталонного тока [13]. Обобщенный интегратор второго порядка (SOGI) широко используется для реализации схемы фазовой автоподстройки частоты (PLL) [13] [14] [15], а также для устранения или снижения мгновенного уровня шума во многих областях, таких как теория управления, релейная защита, сигнал обработка, радиочастота, системы питания и др. [15]. Настоящая стратегия показана на Рисунке 2, SOGI используется для построения пары ортогональных тригонометрических функций для тока нагрузок, который выбирается из сетки.Затем с получением реактивного тока нагрузки я _д посредством активного и реактивного тока разлагает нагрузки путем посредством DQ теории, которая в сочетании с активным током спроса для получения мгновенного ожидаемого эталонного тока сравнивается с фактическим выходным током инвертора i _o . Ошибка сравнения используется для генерации сигнала ШИМ, который применяется для управления мостом инвертора.

Рисунок 2. Метод компенсации реактивной мощности.

Однофазное мгновенное напряжение электросети и ток нагрузки определяются по формуле:

(1)

(2)

Где

U _A — среднеквадратичное (среднеквадратичное) значение напряжение сети,

I _A — действующее значение тока нагрузки,

I _α — мгновенный ток сети, и

— фазовый угол.

Ортогональное уравнение (2) мгновенного тока нагрузки может быть получено как:

(3)

Применяя тригонометрические вычисления для уравнений (2) и (3), получаем:

(4)

(5)

(6)

Чтобы получить активный и реактивный ток нагрузки путем умножения матрицы с обеих сторон уравнения (6)

(7)

Очевидно, активный и реактивный ток I _d , I _q были отдельно от тока выборки нагрузки по уравнению (7), которые равны I _A cos , I _A sin соответственно.

Рисунок 3. Разбивает реактивный и активный ток нагрузки.

В уравнении 7 функции синуса и косинуса могут быть получены с помощью контура фазовой автоподстройки частоты.

Рисунок 3 — это модуль для получения мгновенного активного и реактивного тока от электросети.

Рисунок 4. Уравнение получения активного и реактивного тока.

Система измеряет напряжение сети, чтобы гарантировать, что выходная мощность инвертора полностью синхронизирована с сетью с точки зрения частоты, фазы и среднеквадратичного напряжения (RMS).

Рисунок 4 реализует уравнение (7), которое показывает, что модуль вырабатывает выходной опорный ток инвертора в соответствии с требуемой реактивной мощностью сети, способность инвертора обеспечивает активную мощность и сигналы ФАПЧ.

Рисунок 5. Получение опорного тока.

2.2. Генерация ортогональной системы

Предполагая, что входной сигнал является синусоидальным сигналом v _i = sinωt , ортогональная функция синусоидальной функции является функцией косинуса, которая может быть получена путем обобщенного интегрирования в виде следующего уравнения:

(8 )

И входной сигнал может быть получен с помощью производной приведенного выше уравнения, как показано ниже.

(9)

Если учесть только, что входной сигнал v _i начинается с момента 0, что означает, что функция sinωt определена для всех t ≥ 0, то перенос синусоидальной тригонометрической функции Лапласа равен

(10)

И перенос Лапласа производной функции y ‘ может быть предоставлен как:

(11)

Таким образом, приведенное выше уравнение является функцией отклика системы H _s , которая должна быть построенным.

(12)

(13)

(14)

Рисунок 6. Отклик разомкнутой системы ортогональной генерации.

Рисунок 7. Замкнутая система ортогональной генерации.

На рисунке 6 показана структура системы с обратной связью в соответствии с уравнением 14, а на рисунке 7 показана структура системы с обратной связью. На рисунке 7 параметр усиления k влияет на полосу пропускания системы с обратной связью.

3. Результаты моделирования

На рисунке 8 показаны результаты сравнения выходного сигнала ортогональной системы с входным сигналом.