Реактивна енергія і коефіцієнт потужності

 

1.1.Реактивна енергія і коефіцієнт потужності

Всі індукційні (тобто, електромагнітні) машини і пристрої, що працюють у складі систем змінного струму, перетворюють електричну енергію від генераторів енергосистеми в механічну роботу і тепло. Така енергія вимірюється лічильниками кіловат годин і називається «активною» або ватною енергією. Для здійснення такого перетворення необхідно освіта магнітних полів в машинах, і ці поля пов'язані з іншою формою енергії, забезпечується енергосистемою, «реактивною» або «безватною» енергією.

Причина цього полягає в тому, що індукційне коло циклічно поглинає енергію з  системи (на створення магнітних  полів) і віддає цю енергію назад  в систему (протягом спаду магнітних  полів) двічі за кожен цикл потужності частоти. Точно так явище відбувається при наявності паралельно включених ємнісних елементів в енергосистемі, таких як кабелі або блоки силових конденсаторів і т.д. У цьому випадку енергія запасається електростатично (заряд конденсатора). Циклічна зарядка і розрядка ємнісного кола робить на генератори системи такий же вплив, як описане вище для індукційної кола, але струм в ємнісному колі має фазу, протилежну фазі струму індукційного кола. На цьому засновані схеми підвищення коефіцієнта потужності.

Слід  зазначити, що хоча «безватний» струм (точніше кажучи, безватна складова струму навантаження) не забирає енергії з системи, він викликає втрати енергії в системах передачі і розподілу енергії від нагрівання провідників.

У реальних енергосистемах безватні складові струмів навантажень незмінно індуктивні, а модулі повного опору систем передачі та розподілу переважно індуктивно-реактивні. Індуктивний струм через індуктивно-реактивний опір найгірш можливий режим падіння напруги (тобто, пряма протифаза напрузі системи).

З причин втрати енергії при передачі і падіння напруги органи, що регулюють енергопостачання, вимагають зниження обмеження безватного (індуктивного) струму в максимальній можливій мірі. Безватні (ємнісні) струми мають зворотний ефект на рівні напруги і викликають підвищення напруги в енергосистемах. Як правило, потужність (кВт), пов'язана з «активної» енергією, позначається буквою Р. Реактивна потужність (квар) позначається буквою Q. Індуктивно-реактивна потужність умовно приймається позитивною (+ Q), а емнісно-реактивна - негативною (-Q). S - «повна» потужність, кВа.

Рис.1 показує повну потужність (кВа) як векторну суму активної (кВт) і реактивної (квар) потужності.

Рис.1.1. Повна потужність (кВа)

 

1.2.Установки та прилади, що вимагають реактивної енергії

Всім установкам і приладам змінного струму, що включає електромагнітні пристрої або залежні від магнітнозв´язаних обмоток, потрібно, в тій чи іншій мірі, реактивний струм для створення магнітного потоку. Загальне застосування одиницями обладнання цього класу є трансформатори і реактори, двигуни і розрядні лампи (тобто, баласти). Співвідношення реактивної (квар) і активної (кВт) потужності при повністю навантаженій одиниці обладнання залежить від характеристик такої одиниці:

65-75% для асинхронних двигунів

P Q5-10% для трансформаторів

Коефіцієнт  потужності (cos φ) є відношення кВт  до кВА. Чим ближче коефіцієнт потужності наближається до свого максимального значення 1, тим більше користь для споживача і постачальника.

PF = P (кВт) / S (кВА)

P = активна потужність

S = повна  потужність

1.3.Визначення коефіцієнта потужності

Коефіцієнт потужності навантаження, яке може бути енергоспоживаючою одиницею обладнання або сукупністю таких одиниць (наприклад, вся система), задається відношенням P / S, тобто, число кВт, поділена на число кВА в заданий момент часу. Значення коефіцієнта потужності змінюється в діапазоні від 0 до 1. Якщо струми і напруги є ідеальними синусоїдальними сигналами, коефіцієнт потужності дорівнює cos φ. Коефіцієнт потужності близько одиниці означає, що реактивна потужність мала в порівнянні з активною, а низьке значення коефіцієнта вказує на протилежне.

Векторна  діаграма потужності

- Активна потужність P (кВт)

- Однофазна (1 фаза і нейтраль): P = V х I х cos φ

- Однофазна (фаза_фаза): P = U х I х  cos φ

- Трифазна (3 дроти або 3 дроти  + нейтраль): P = 3 х U х I cos φ

- Реактивна потужність Q (квар)

- Однофазна (1 фаза і нейтраль ): P = V х I х sin φ

- Однофазна (фаза_фаза): Q = U х I х  sin φ

- Трифазна (3 дроти або 3 дроти + нейтраль): P = 3 х U х I sin φ

- Повна потужність S (кВА)

- Однофазна (1 фаза і нейтраль): S = V х I

- Однофазна (фаза_фаза): S = U х I

- Трифазна (3 дроти або 3 дроти  + нейтраль): P = 3 х U х I

де:

V = напруга між фазою і нейтраллю

U = міжфазова напруга

I = струм

φ = кут між векторами напруги та струму.

- Для збалансованих або майже  збалансованих навантажень 4х-провідних  систем.

1.3.1.Вектори струму і напруги, виведення векторної діаграми потужності

«Векторна» діаграма потужності - корисний інструмент, виведений безпосередньо із істиної діаграми векторів струмів і напруг наступним чином: напруги енергосистеми приймаються в якості вихідних величин, і розглядається тільки одна фаза, виходячи з припущення про збалансоване 3-х фазне навантаження. Початкова напруга фази (V) збігається з горизонтальною віссю, а струм (I) цієї фази відстає (практично для всіх навантажень енергосистеми) щодо напруги на кут φ. Складова струму I, що збігається за фазою з напругою V, є ватною складовою струму I і дорівнює I cos φ, значення VI cos φ одно активної потужності (кВ) в колі, якщо V виражається в кВ. Складова струму I з відставанням 90 градусів від напруги V є безваттною складовою струму I і дорівнює I • sin φ, а значення V • I • cos φ дорівнює реактивної потужності (квар), якщо напруга V виражається в кВ.

Результат множення I на V в кВ (VI) дорівнює повній потужності (кВА) для кола. Виходить проста формула S2 = P2 + Q2. Отже, помножені на 3, зазначені вище значення кВт, квар і кВА на фазу можуть зручно представляти взаємозв'язок кВА, кВт, квар і коефіцієнта потужності для загального 3-х фазного навантаження, як показано на Рис.2

Рис.1.2. Взаємозв'язок активної і реактивної потужності

 

 

 

1.3.2.Навіщо підвищувати коефіцієнт потужності?

   Оптимальне регулювання споживання реактивної потужності дає такі економічні переваги. Приводиться інформація заснована на фактичній структурі тарифних ставок, загальноприйнятої в Європі і спрямованої на стимулювання споживачів мінімізувати споживання реактивної енергії. Установка конденсаторів для підвищення коефіцієнта потужності дозволяє споживачам знижувати витрати на електроенергію за рахунок підтримки рівня споживання реактивної потужності нижче значення, погодженого (за договором) з постачальником електроенергії. В рамках розглянутої тарифної структури рахунок за спожиту реактивну енергію виставляється за критерієм tg φ. Як зазначено вище:

 

З точки зору постачання електроенергії, постачальник електроенергії постачає реактивну енергію безкоштовно:

- До точки, при якій її споживання  становить менш 40% від споживання  активної енергії (tg φ = 0,4) протягом максимального періоду 16 годин на день (з 06-00  до 22-00 ) в період найбільшого навантаження (часто взимку)

- Без обмеження протягом періодів  низького навантаження взимку, навесні  і влітку.

Протягом періодів обмеження рахунки за реактивну енергію, спожиту понад 40% активної енергії (tg φ> 0,4), виставляються щомісяця за поточними ставками. Таким чином, кількість реактивної енергії Р, оплачуваної споживачем в такі періоди, становить: квар/год (до оплати) = Р кВт/год (tg φ - 0,4), де Р кВт/год - активна енергія, спожита протягом періодів обмеження, кВт/год tg φ - загальна реактивна енергія за період обмеження і 0,4 Р кВ/год - кількість реактивної енергії, поставленої безкоштовно за період обмеження. tg φ = 0,4 відповідає коефіцієнту потужності 0,93. Таким чином, якщо вживаються заходи щодо забезпечення того, що протягом періодів обмеження коефіцієнт потужності ніколи не впаде нижче 0,93, споживач нічого не буде платити за спожиту реактивну потужність.

Проте, отримуючи такі переваги знижених витрат на електроенергію, споживач повинен  враховувати вартість придбання, установки  та обслуговування конденсаторів для підвищення коефіцієнта потужності і регулювання розподільних пристроїв, автоматичних пристроїв (у разі ступінчастої компенсації) разом з додатковими кВт/год, споживаними діелектриками.

З огляду на такі витрати на конденсатори і т.д., може виявитися більш економічно вигідним забезпечувати лише часткову компенсацію, тобто, оплата деякої споживаної реактивної енергії може обходитися дешевше, ніж 100% компенсація.

Питання підвищення коефіцієнта потужності - це, перш за все, питання оптимізації (за винятком дуже простих випадків). Високий коефіцієнт потужності дозволяє оптимізувати всі компоненти системи. Слід уникати завищення номіналів певного обладнання. Для отримання оптимальних результатів необхідно встановлювати компенсуючі пристрої як можна ближче до споживача реактивної (індуктивної) енергії.

1.3.3. Збільшення перерізів кабелів

Необхідні збільшення перерізів кабелів при зниженні коефіцієнта потужності з одиниці до 0,4.

Множник для площі	1	1,25	1,67	2,5
cos φ	1	0,8	0,6	0,4

1.3.4. Зниження втрат (P, кВт) в кабелях.

Втрати в кабелях пропорційні  квадрату струму і вимірюються лічильником кіловат-годин установки. Наприклад, зниження загального струму в провіднику на 10% призводить до зниження втрат майже на 20%

 

 

 

1.3.5. Зниження падінь напруги

Конденсатори для підвищення коефіцієнта  потужності знижують або навіть повністю усувають (індуктивний) реактивний струм  у верхніх провідниках, тим самим, знижуючи або усуваючи падіння напруги.

Примітка: Надлишкова компенсація призводить до підвищення напруги на конденсаторах.

1.3.6. Підвищення існуючої потужності

Підвищення коефіцієнта потужності навантаження, що живиться від трансформатора, призводить до зниження струму через  трансформатор, що дозволяє додавати навантаження. На практиці може виявитися дешевше  підвищити коефіцієнт потужності (1), ніж замінити трансформатор на більший номінал.

 

1.4.Методи підвищення коефіцієнта потужності

Індуктивне навантаження, що має  низький коефіцієнт потужності, вимагає від генераторів і систем передачі / розподілу пропускати реактивний струм (з відставанням від напруги системи на 90 градусів) з супутніми втратами потужності і підвищеними падіннями напругами. Якщо блок шунтуючих конденсаторів додати до навантаження, його (ємнісний) реактивний струм буде проходити по тому ж шляху через енергосистему, як і реактивний струм навантаження. Оскільки такий ємнісний струм I_c (який випереджає напругу системи на 90 градусів) прямо протифазний реактивному струму навантаження (I_L), дві складові, що протікають по одному шляху, будуть компенсувати один одного. При цьому, якщо блок конденсаторів досить великий і I_c = I_L, не буде реактивного струму в системі перед конденсаторами. Це вказується на Рис. 3 (a) і (b), який показує тільки реактивні складові струму.

 

 

 

 

а) Проходять тільки реактивні складові струму

Рис.1.3. а) Проходять тільки реактивні складові струму; б) При I_C-I_L реактивна потужність передається від блоку конденсаторів; в) При струмі навантаження, доданому до(б)

На  цьому малюнку:

R - елементи, що споживають активну  потужність навантаження

L - елементи, що споживають реактивну  (індуктивну) потужність навантаження

C - елементи, що споживають реактивну  (ємнісні) потужність навантаження  пристроїв підвищення коефіцієнта  потужності (тобто, конденсаторів).

Рис.1.4. Діаграма показує принцип компенсації

Як  видно з діаграми Рис.4, блок конденсаторів C нейтралізує весь реактивний струм навантаження. З цієї причини конденсатори іноді називаються «генераторами реактивної потужності - VAR». На діаграмі Рис.4 добавлена ​​активна ватна складова струму і показано, що навантаження (при повній компенсації) представляється енергосистемі як має коефіцієнт потужності 1. Як правило, повна компенсація навантаження не є економічно доцільною. На Рис. K9 використовується діаграма потужності, обговорювана в п.1.3 (див. Рис. K3), для демонстрації принципу компенсації шляхом зниження великої реактивної потужності Q до меншого значення Q 'за допомогою блоку конденсаторів, що має реактивну потужність Qc.

При цьому величина повної потужності S знижується до S '.

Приклад:

Двигун споживає 100 кВт при коефіцієнті  потужності 0,75 (тобто, tg φ = 0,88). для підвищення коефіцієнта потужності до 0,93 (тобто, tg φ = 0,4), реактивна потужність блоку конденсаторів повинна становити: Qc = 100 (0,88 - 0,4) = 48 квар. Вибір рівня компенсації та розрахунок номінальних параметрів блоку конденсаторів залежить від конкретного навантаження. Перед тим, як реалізувати проект компенсації, слід врахувати ряд запобіжних заходів. Зокрема, слід уникати збільшення номінальних значень потужності двигунів, також як і роботи двигунів в режимі холостого ходу. В останньому випадку отримувана реактивна енергія, споживана двигуном, призводить до вкрай низького коефіцієнту потужності (-0, 17); це викликано надто малою активною потужністю кВт, споживаної двигуном (в ненавантаженому стані).

1.5.Вплив гармонік

1.5.1.Проблеми, пов'язані з гармонічними складовими енергосистеми

Обладнання, що включає силові електронні компоненти (частотне регулювання двигунів, тиристорні випрямлячі і т.д.) значно збільшує проблеми викликані гармонійними складовими в системі електроживлення. Гармоніки створюють проблеми з моменту зародження промисловості і викликані нелінійними опорами намагнічування трансформаторів, реакторів, баластними опорами резонансних ламп і т.д. Гармоніки симетричних 3-х фазних систем є, як правило, непарними: 3-я, 5-а, 7-а, 9-а ..., і їх величина зменшується зі збільшенням порядкового номера. Кілька пристроїв можуть бути використані різними шляхами для зниження конкретних гармонік до дуже малих значень - повне усунення неможливо. В даному розділі рекомендуються практичні засоби зниження впливу гармонік, особливо для блоків конденсаторів. Конденсатори особливо чутливі до гармонійних складових напруги живлення в силу того, що ємнісно-реактивний опір зменшується при збільшенні частоти. На практиці це означає, що лише відносно малий відсоток гармонійних напруг може викликати протікання значного струму в колі конденсаторів.