Компенсация реактивной мощности (КРМ). Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер. В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер(двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер(конденсаторы), ток опережает напряжение.
Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой
1. Iа— активный ток 2. Iри— реактивный ток индуктивного характера
К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.
- Р– активная мощность привязана к Iа(по всем гармоникам суммарно)
- Q– реактивная мощность привязана к Iри(по всем гармоникам суммарно)
- A– полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)
Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.
Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (φ)
Cos (φ) = P1гарм/ A1гарм
P1гарм— активная мощность первой гармоники 50 Гц А1гарм— полная мощность первой гармоники 50 Гц где,
A = √P² + Q²
Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:
- Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности)
- Высокие перепады напряжения в электрических линиях(например 330…370 В, вместо 380 В)
- Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.
Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.
Потребители реактивной мощности
Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи(трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле(асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминесцентное освещение и т.п.
Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.
Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя– статора передаётся во вторичную– ротор посредствам магнитного поля.
Индукционные печи как потребители реактивной мощности. К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.
Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.
О природе реактивной энергии
В случае включения вместо конденсатора катушки индуктивности, суть процесса не изменится.
В этом и состоит главный фокус реактивной энергии — в момент ‘прилива’ мы заполняем свои цистерны
, в момент отлива же, мы
сливаем их содержимое обратно
. Как можно заметить из этой простой аналогии, мы просто туда-сюда переливаем жидкость
(или ток в электроцепях)
. Если же мы соблазнимся слить хоть немного жидкости ‘налево’
(включить последовательно с реактивным конденсатором активный резистор)
, то мы станем брать
‘несколько больше’
чем возвращать, а это
‘несколько больше’
уже является активной энергией по определению
(ведь мы эту часть не возвращаем обратно, не так ли?)
, за которую как известно, приходится платить.
Или иной пример: предположим, что мы берем у кредитора некоторую сумму денег взаймы и сразу же возвращаем ему взятый только что кредит. Если мы отдадим ровно столько, сколько взяли (чистая реактивность) — мы придем к исходному состоянию и никто никому не будет ничего должен. В случае же, если мы потратим часть кредита на какую ни будь покупку и вернем то, что осталось от кредита после совершения покупки (добавим в цепь активную нагрузку и часть энергии уйдет из системы)
— мы будем все еще должны. Эта потраченная часть является активной составляющей взятого нами кредита.
Теперь у вас может возникнуть один весьма резонный вопрос — если все так просто, и для того чтобы энергия считалась реактивной, ее просто нужно полностью вернуть обратно источнику, почему предприятия вынуждены платить за потребляемую (и полностью возвращаемую)
реактивную энергию?
Все дело в том, что в случае чисто реактивной нагрузки, момент максимально потребляемого тока (реактивного)
приходится на момент минимального значения напряжения, и наоборот, в момент максимума напряжения на клеммах нагрузки, протекающий через нее ток равен нулю.
Протекающий реактивный ток греет питающие проводники — но это активные потери, вызванные протеканием реактивного тока по проводникам с ограниченной проводимостью, что эквивалентно последовательно включенным с реактивной нагрузкой активным резистором. Так же, поскольку в момент максимума реактивного тока напряжение на полюсах реактивного элемента переходит через ноль, активная мощность подводимая к нему в этот момент (произведение тока и напряжения)
равна нулю. Вывод — реактивный ток вызывает нагрев проводов, не совершая при этом никакой полезной работы. Следует заметить, что эти потери так-же является активными и будут засчитываться бытовым счетчиком активной энергии.
Большие предприятия сопсобны генерировать достаточно большие реактивные токи, которые отрицательно сказываются на функционировании энергосистемы. По этой причине, для них проводится учет как активной, так и реактивной составляющей потребленной энергии. Для уменьшения генерации реактивных токов (вызывающих вполне реальные активные потери)
, на предприятиях размещают установки компенсации реактивной мощности.
Устройство и принцип действия ИРМ
Источник реактивной мощности – это комплекс электротехнического оборудования, который обеспечивает автоматическое управление оптимальными уровнями напряжения в распределительной сети. Основными элементами комплекса являются такие элементы, как управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор 6-500 кВ (УШР), ФКУ и батарея статических конденсаторов (БСК).
ИРМ существенно улучшает качество электроснабжения и повышает его надежность: устраняет колебания напряжения, снижает потерю электроэнергии при транспортировке и распределении. Дополнительно комплекс способен повысить пропускную способность линий электропередач, а также избежать технологических сбоев в результате нарушения устойчивости энергосистемы, когда происходит резкое снижение напряжения.
Источники реактивной мощности на базе управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов 6–500 кВ, фильтрокомпенсирующих устройств и батарей статических конденсаторов (БСК):
| Наименование | Uном, кВ** | Qр, Мвар** | QФКУ, Мвар | QБСК, Мвар*** |
| ИРМ–6/3,6 (6,3)/3,6 | 6 | 3,6 | — | 3,6 (6,3) |
| ИРМ–6/6,3 (12,6)/6,3 | 6 | 6,3 | — | 6,3 (12,6) |
| ИРМ–6/10 (20)/10 | 6 | 10 | — | 10 (20) |
| ИРМ–10/3,6 (6,3)/3,6 | 10 | 3,6 | — | 3,6 (6,3) |
| ИРМ–10/6,3 (12,6)/6,3 | 10 | 6,3 | — | 6,3 (12,6) |
| ИРМ–10/10 (20)/10 | 10 | 10 | — | 10 (20) |
| ИРМ–35/10 (20)/10 | 35 | 10 | — | 10 (20) |
| ИРМ–35/16 (32)/16 | 35 | 16 | — | 16 (32) |
| ИРМ–35/25 (50)/25 | 35 | 25 | — | 25 (50) |
| ИРМ–110/25 (50)/25 | 110 | 50 | 2,5 | 25 (50) |
| ИРМ–110/50 (100)/50 | 110 | 50 | 5 | 50 (100) |
| ИРМ–220/30/100 | 220 | 100 | 10 | 30**** |
| ИРМ–220/50 (100)/100 | 220 | 100 | 10 | 50 (100) |
| ИРМ–220/100 (200)/100 | 220 | 100 | 10 | 100 (200) |
| ИРМ–330/10/100 | 330 | 100 | 10 | — |
| ИРМ–330/50/100 | 330 | 100 | 10 | до 50**** |
| ИРМ–330 (500)/18/180 | 330; 500 | 180 | 18 | — |
| ИРМ–330 (500)/90/180 | 330; 500 | 180 | 18 | до 90**** |
* Возможно применение других схем ИРМ.
** Возможно изготовление ИРМ любой номинальной мощности на любое номинальное напряжение (с 1 или 2 секциями БСК).
*** Номинальное напряжение БСК для ИРМ 6–220 кВ соответствует номинальному напряжению ИРМ (в скобках указана емкостная мощность ИРМ при двух секциях БСК).
**** Подключение БСК для указанных ИРМ осуществляется к компенсационной обмотке реактора с номинальным напряжением 10–35 кВ в зависимости от класса напряжения и мощности реактора ИРМ.
Треугольник мощностей и cos φ
Для наглядности изобразим полную мощность и её составляющие в виде векторов (см. рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющей присвоим символы P и Q, соответственно. Поскольку вектор S является суммой составляющих тока, то, по правилу сложения векторов, образуется треугольник мощностей.
Рис. 2. коэффициент мощности
Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:
Отсюда можно найти реактивную составляющую:
Реактивная составляющая
Выше мы уже упоминали, что реактивная мощность зависит от сдвига фаз, а значит и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выражать через cos φ. По определению cos φ = P/S. Данную величину называют коэффициентом мощности и обозначают Pf. Таким образом, Pf = cos φ = P/S.
Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить эффективность работы тока. Данная величина находится в промежутке от 0 до 1.
Если угол сдвига фаз принимает нулевое значение, то cos φ = 1, а это значит что P = S, то есть полная мощность состоит только из активной мощности, а реактивность отсутствует. При сдвиге фаз на угол π/2 , cos φ = 0, откуда следует, что в цепи господствуют только реактивные токи (на практике такая ситуация не возникает).
Из этого можно сделать вывод: чем ближе к 1 коэффициент Pf , тем эффективнее используется ток. Например, для синхронных генераторов приемлемым считается коэффициент от 0,75 до 0,85.
Способы компенсации двух видов реактивной мощности:
Индуктивная
нагрузка
(фазовое опережение тока относительно напряжения) компенсируется конденсаторами или синхронными двигателями.
Емкостная нагрузка
(фазовое отставание тока относительно напряжения) компенсируется дросселями или реакторами.
Полностью выровнять фазы между током и напряжением невозможно, но, даже повысив cos φ с обычных 0,5-0,6 до 0,95-0,97, можно добиться экономического эффекта в 45-50%.
«Традиционные» источники гармоник и реактивной мощности в силовых сетях
К традиционным источникам гармоник и реактивной мощности в силовых сетях правомерно отнести трансформаторы, электродвигатели, электроплавильные печи и аппараты дуговой сварки.
Кривая намагничивания у трансформаторов более нелинейные, чем электродвигателей, генерирующих преимущественно третью гармонику, что обуславливает достаточно емкий спектр гармонических искажений от трансформатора и особенно в условиях насыщения — при работе выше номинальной мощности (обычно в периоды пиковой нагрузки), с повышением напряжения выше номинальных значений (обычно в условиях небольшой нагрузки) или из-за переключения нагрузок с большой реактивной мощностью. Как видно из графика ниже даже небольшое перенапряжение (выше номинального значения) вызывает значительное увеличение тока намагничивания, а это и реактивная энергия на фундаментальной частоте и мощность гармоник с большими амплитудами (до 11-13 порядков).
Кривая намагничивания трансформатора
Дуговые печи и сварочные аппараты обычно потребляют много электроэнергии, что в совокупности с сильно нелинейной вольтамперной характеристикой создает значительные (по мощности) гармонические искажения, причем из-за особенностей процесса с сильными и резкими изменениями параметров спектр включает и четные, и нечетные гармоники.
Типовой спектр гармоник дуговой печи
