Специфика сети переменного тока приводит к тому, что в фиксированный момент времени синусоиды напряжения и тока на приемнике совпадают только в случае так называемой активной нагрузки, полностью переводящей ток в тепло или механическую работу. Практически это всевозможные электронагревательные приборы, лампы накаливания, в каком-то приближении электродвигатели и электромагниты под нагрузкой и звуковоспроизводящая аппаратура.
Ситуация полностью меняется, если нагрузка, не создающая механической работы, обладает большой индуктивностью при малом сопротивлении. Это характерный случай электродвигателя или трансформатора на холостом ходу. Подключение подобного потребителя к источнику постоянного тока привело бы к короткому замыканию, здесь же ничего особенного с сетью не случится, но мгновенный ток будет отставать от мгновенного напряжения примерно на четверть периода. В случае же чисто емкостной нагрузки (если в розетку вставить конденсатор), ток на нем будет, наоборот, на ту же четверть периода опережать напряжение.
Определение
Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:
P=U*I
P=I2*R
P=U2/R
По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.
Нагрузку разделяют на два основных типа:
- Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
- Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).
Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.
Оплата реактивной мощности
Законодательство в области электроэнергетики предусматривает довольно внушительный набор упоминаний о необходимости оплаты потребителю в адрес сетевой организации реактивной мощности, однако, фактически, такая оплата в настоящее время не осуществляется. Давайте разберемся почему так происходит. Известный всем еще со школьной скамьи треугольник мощностей, творчески переработанный в иллюстрации к данной статье, говорит о том, что полная мощность состоит из активной мощности, то есть идущей на полезную работу, а также реактивной мощности, которая, соответственно, на полезную работу не идет. По сути, реактивная мощность — это потери. Чем больше реактивная мощность, тем больше сетевая организация должна передать энергии, чтобы электроустановки потребителя выполнили полезную работу. По логике потребитель должен либо компенсировать сетевой организации затраты на передачу «лишней» мощности, либо устанавливать у себя компенсаторы реактивной мощности, которые стоят совсем не дешево. Законодательство на первый взгляд здесь на стороне сетевой организации. В правилах оказания услуг по передаче электрической энергии, указано, что:
- При необходимости потребитель обязан установить оборудование, обеспечивающие регулирование реактивной мощности.
- Потребитель обязан поддерживать на границе балансовой принадлежности значения показателей качества электрической энергии, в том числе соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности, определяемые для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств).
- Сетевая организация обязана определять значения соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств. Правила определения установлены соответствующим приказом Минэнерго РФ.
- Если сетевая организация выявляет нарушение потребителем соотношения активной и реактивной мощности, далее: Составляется акт.
- Потребитель уведомляет о сроке в течение которого он установит компенсаторы реактивной мощности.
- Если уведомления от потребителя нет, либо в установленные сроки (не более 6 месяцев) компенсаторы не установлены, в отношении потребителя применяется повышающий коэффициент к тарифу на услуги по передаче электроэнергии.
Размер повышающего коэффициента устанавливается в соответствии с методическими указаниями, утверждаемыми федеральным органом исполнительной власти в области государственного регулирования тарифов.
При технологическом присоединении в технических условиях для заявителей сетевая организация указывает требования к устройствам контроля и учета качества электроэнергии, к том числе соотношению активной и реактивной мощности. В правилах розничных рынков электроэнергии указано, что:
- Обязанность потребителя по обеспечению функционирования компенсации реактивной мощности является существенным условием договора энергоснабжения.
- Потребитель обязан поддерживать на границе балансовой принадлежности значения показателей качества электрической энергии соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств.
Почему же при столь детальной проработке вопроса об обязанностях потребителя по поддержанию соотношения активной и реактивной мощности и оплате сетевой организации услуг по передаче с повышающим коэффициентом при нарушении данного соотношения, в настоящее время потребители фактически не доплачивают за реактивную мощность? Всё просто.
В настоящее время повышающие коэффициенты установлены только в отношении потребителей, подключенных к сетям единой национальной (общероссийской) электрической сети.
То есть, для потребителей, не имеющих договор оказания услуг по передаче электроэнергии с ПАО «ФСК ЕЭС» зафиксировать нарушение соотношения активной и реактивной мощности можно, а вот наказать за это нельзя. В результате в распределительных сетях контроль реактивной мощности осуществляется только на этапе технологического присоединения, где сетевая организация может включить установку компенсаторов реактивной мощности в технические условия.
Смысл реактивной нагрузки
В электрической цепи с реактивной нагрузки фаза тока и фаза напряжения не совпадают во времени. В зависимости от характера подключенного оборудования напряжение либо опережает ток (в индуктивности), либо отстаёт от него (в ёмкости). Для описания вопросов используют векторные диаграммы. Здесь одинаковое направление вектора напряжения и тока указывает на совпадение фаз. А если вектора изображены под некоторым углом, то это и есть опережение или отставание фазы соответствующего вектора (напряжения или тока). Давайте рассмотрим каждый из них.
В индуктивности напряжение всегда опережает ток. «Расстояние» между фазами измеряется в градусах, что наглядно иллюстрируется на векторных диаграммах. Угол между векторами обозначается греческой буквой «Фи».
В идеализированной индуктивности угол сдвига фаз равен 90 градусов. Но в реальности это определяется полной нагрузкой в цепи, а в реальности не обходится без резистивной (активной) составляющей и паразитной (в этом случае) емкостной.
В ёмкости ситуация противоположна – ток опережает напряжение, потому что индуктивность заряжаясь потребляет большой ток, который уменьшается по мере заряда. Хотя чаще говорят, что напряжение отстаёт от тока.
Если сказать кратко и понятно, то эти сдвиги можно объяснить законами коммутации, согласно которым в ёмкости напряжение не может изменится мгновенно, а в индуктивности – ток.
Треугольник мощностей и косинус Фи
Если взять всю цепь, проанализировать её состав, фазы токов и напряжений, затем построить векторную диаграмму. После этого изобразить активную по горизонтальной оси, а реактивную – по вертикальной и соединить результирующим вектором концы этих векторов – получится треугольник мощностей.
Он выражает отношение активной и реактивной мощности, а вектор, соединяющий концы двух предыдущих векторов – будет выражать полную мощность. Всё это звучит слишком сухо и запутано, поэтому посмотрите на рисунок ниже:
Буквой P – обозначена активная мощность, Q – реактивная, S – полная.
Формула полной мощности имеет вид:
Самые внимательные читатели наверняка заметили подобие формулы теореме Пифагора.
Единицы измерения:
- P – Вт, кВт (Ватты);
- Q – ВАр, кВАр (Вольт-амперы реактивные);
- S – ВА (Вольт-амперы);
Активная и реактивная электрическая мощность
Общая зависимость электрической мощности от электрического тока и напряжения известна давно: это произведение. Помножим ток на напряжение – получим значение этой величины, потребляемой цепью из сети.
Но на деле все может оказаться не так просто. Потому что, просто умножив напряжение на ток, мы получим значение полной мощности. Казалось бы – это то, что нужно! Ведь обычно нас интересует именно полное значение любой величины.
Однако на электрическую мощность такое отношение распространять нельзя, так как электроэнергия и мощность, на основании которых изменяются показания нашего квартирного счетчика – не полные, а активные.
Активная мощность
– это та мощность, которая потребляется в тот момент, когда в сети в один и тот же момент есть и напряжение, и синхронный с ним электрический ток. На самом деле, в цепях постоянного тока за исключением переходных процессов при включении-выключении так оно и бывает.
Постоянно «жмет» напряжение, если цепь замкнута – постоянно «давит» некоторый ток. В итоге полная и активная мощность становятся равны, поскольку ток и напряжение действуют согласованно.
Иное дело – цепи переменного тока. Напряжение в них меняет свое направление пятьдесят раз в секунду, а ток… иногда приотстает, а иногда опережает напряжение. К примеру, если в цепи имеется «индуктивность», то есть, катушка из провода, имеющая множество витков, то ток на таком элементе цепи «отстанет» от напряжения.
Причина заключается в противо-ЭДС самоиндукции, сопротивляющейся изменению тока в катушке. Получается, что напряжение к индуктивности уже приложено, а ток еще никак не может возрасти из-за помех со стороны противо-ЭДС.
В среде учащихся многих электротехнических ВУЗов бытует такое художественное сравнение: «Для тока требуется время, чтобы он мог пробежать через каждый виток, а напряжение – вот оно, уже на концах катушки».
ЭДС противоиндукции вызывает падение напряжения и снижение тока в цепи. То есть, катушка является источником индуктивного сопротивления. Но оно отличается от активного сопротивления тем, что на нем не выделяется никакого тепла и вообще не потребляется никакой мощности в привычном понимании.
Происходит просто «пустопорожнее» переливание электроэнергии от источника к индуктивности. И энергия, перенаправляемая туда и обратно как мяч в настольном теннисе, никуда из сети не уходит. Это реактивная энергия и потребителю в быту за нее не приходится платить энергосбытовой компании.
Реактивная энергия
, производимая в сети в единицу времени, может считаться реактивной мощностью. Вычисляется она так же, как и активная – произведением реактивной составляющей тока на напряжение.
Реактивной же составляющей тока является та, которая не совпадает с напряжением по своей фазе. Величина «несовпадения» характеризуется углом сдвига фаз. В случае с чистой индуктивностью сдвиг фаз составляет максимум – 90°. Это означает, что когда напряжение достигает самого большого своего значения, ток только начинает расти.
А если в цепи расположен конденсатор (емкость), то напряжение, напротив, будет отставать от тока на 90 градусов по причине того, что для возникновения падения напряжения конденсатору требуется зарядить свои обкладки.
Точно так же источник и конденсатор в одной цепи будут обмениваться реактивной энергией, которая ни на что не будет тратиться.
В реальной цепи не бывает чисто активной или чисто реактивной нагрузки, поэтому полная мощность всегда состоит из активной и реактивной составляющей, а угол сдвига фаз находится в пределах между нулем и 90°.
Реактивная составляющая тока равна его произведению на синус угла сдвига фаз, а активная – произведению на косинус этого угла:
Q=I*sinφ; P=I*cosφ
Полную мощность можно найти по теореме Пифагора:
S=√(P^2+Q^2);
При этом, реактивную мощность, в отличие от активной, нельзя исчислять в ваттах, потому что она неэффективна. Поэтому для реактивной мощности придумали особую единицу измерения – вольт-амперы реактивные (ВАРы). А полная измеряется в вольт-амперах, без уточнения характера нагрузки.
Расчёты
Для вычисления полной мощности используют формулу в комплексной форме. Например, для генератора расчет имеет вид:
А для потребителя:
Но применим знания на практике и разберемся как рассчитать потребляемую мощность. Как известно мы, обычные потребители, оплачиваем только за потребление активной составляющей электроэнергии:
P=S*cosФ
Здесь мы видим, новую величину cosФ. Это коэффициент мощности, где Ф – это угол между активной и полной составляющей из треугольника. Тогда:
cosФ=P/S
В свою очередь реактивная мощность рассчитывается по формуле:
Q = U*I*sinФ
Для закрепления информации, ознакомьтесь с видео лекцией:
Всё вышесказанное справедливо и для трёхфазной цепи, отличаться будут только формулы.
