Реактивная мощность определяет периодический обмен электрической энергией между источником и электроприемником с двойной частотой по отношению к частоте переменного тока без преобразования ее в другой вид энергии и может рассматриваться как характеристика скорости обмена электроэнергией между источником и магнитным полем электроприемника.

Суммарная энергия, связанная с существованием этой составляющей мгновенной мощности, равна нулю. Ее появление, очевидно, связано с наличием в системе производства, передачи и распределения электроэнергии элементов, в которых возможно периодическое накопление и последующий возврат определенного количества энергии. В противном случае обмен электрической энергией между источником и электроприемником был бы невозможен.

Физика процесса и практика применения установок компенсации реактивной мощности

Чтобы разобраться с понятием реактивной мощности, вспомним сначала, что такое электрическая мощность. Электрическая мощность – это физическая величина, характеризующая скорость генерации, передачи или потребления электрической энергии в единицу времени.

Чем больше мощность, тем большую работу может совершить электроустановка в единицу времени. Измеряется мощность в ваттах (произведение Вольт х Ампер). Мгновенная мощность – это произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-то участке электрической цепи.

Физика процесса

В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за какой-то промежуток времени совпадают, а понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока так происходит только в том случае, если нагрузка чисто активная. Это, например, электронагреватель или лампа накаливания. При такой нагрузке в цепи переменного тока фаза напряжения и фаза тока совпадают и вся мощность передается в нагрузку.

Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели), то ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).

Активная и реактивная мощности

Часть полной мощности, которую удалось передать в нагрузку за период переменного тока, называется активной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус угла сдвига фаз между ними (cos φ ).

Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin φ).

Таким образом, реактивная мощность является величиной характеризующей нагрузку. Она измеряется в вольт амперах реактивных (вар, var). На практике чаще встречается понятие косинус фи, как величины характеризующей качество электроустановке с точки зрения экономии электроэнергии.

Действительно, чем выше cos φ, тем больше энергии, подаваемой от источника, попадает в нагрузку. Значит можно использовать менее мощный источник и меньше энергии пропадает зря.

Реактивная мощность может рассматриваться как характеристика скорости обмена электрической энергией между источником и магнитным полем электроприемника. В отличие от активной мощности реактивная мощность не выполняет непосредственно полезной работы, она служит для создания переменных магнитных полей в индуктивных электроприемниках (например, в асинхронных двигателях, силовых трансформаторах и др.), непрерывно циркулируя между источником и потребляющими ее электроприемниками.

Реактивная мощность бытовых потребителей

Итак, потребители переменного тока имеют такой параметр, как коэффициент мощности cosφ.

На графике ток сдвинут на 90° (для наглядности), то есть на четверть периода. Например, электрооборудование имеет cosφ = 0,8, что соответствует углу arccos 0,8 ≈ 36.8°. Этот сдвиг происходит из-за наличия в потребителе электроэнергии нелинейных компонентов – ёмкостей и индуктивностей (например, обмотки электродвигателей, трансформаторов и электромагнитов).

Для дальнейшего понимания происходящего требуется учет того факта, что, чем выше коэффициент мощности (максимум 1), тем более эффективно потребитель использует получаемую из сети электроэнергию (то есть большее количество энергии преобразуется в полезную работу) – такую нагрузку называют резистивной.

При резистивной нагрузке ток в цепи совпадает с напряжением. А при низком коэффициенте мощности нагрузку называют реактивной, то есть часть потребляемой мощности не совершает полезной работы.

Таблица ниже демонстрирует классификацию потребителей по коэффициенту мощности.

Классификация потребителей переменного тока

Следующая таблица демонстрирует коэффициент мощности распространённых в быту потребителей электроэнергии.

Коэффициент мощности бытовых электроприборов

Юмор электрика

Что такое реактивная мощность? Все очень просто!

Способы компенсации реактивной мощности

Из сказанного выше вытекает, если нагрузка индуктивная, то следует компенсировать ее с помощью емкостей (конденсаторов) и наоборот емкостную нагрузку компенсируют с помощью индуктивностей (дросселей и реакторов). Это помогает увеличить косинус фи (cos φ) до приемлемых значений 0.7-0.9. Этот процесс называется компенсацией реактивной мощности.

Экономический эффект от компенсации реактивной мощности

Экономический эффект от внедрения установок компенсации реактивной мощности может быть очень большим. По статистике он составляет от 12 до 50% от оплаты электроэнергии в различных регионах России. Установка компенсации реактивной мощности окупается не более чем за год.

Для проектируемых объектов внедрение конденсаторной установки на этапе разработки позволяет экономить на стоимости кабельных линий за счет снижения их сечения. Автоматическая конденсаторная установка, например, может поднять cos φ с 0.6 до 0.97.

Выводы

Итак, установки по компенсации реактивной мощности приносят ощутимые финансовые выгоды. Они также позволяют дольше сохранять оборудование в рабочем состоянии.

Вот несколько причин, по которым это происходит.

1. Уменьшение нагрузки на силовые трансформаторы, увеличение в связи с этим срока их службы.

2. Уменьшение нагрузки на провода и кабели, возможность использования кабелей меньшего сечения.

3. Улучшение качества электроэнергии у электроприемников.

4. Ликвидация возможности штрафов за снижение cos φ.

5. Уменьшение уровня высших гармоник в сети.

6. Снижение уровня потребления электроэнергии.

Источник

Проблема реактивной мощности и ее решение

Сегодня компании из различных секторов экономики сталкиваются с проблемой роста реактивной мощности в электрических сетях. Использование специальных устройств для компенсации или сглаживания этих эффектов позволяет не только продлить срок службы дорогостоящей техники, но и снизить энергопотребление.

ПРОБЛЕМА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ЕЕ РЕШЕНИЕ
экономия электроэнергии за счет уменьшения потерь в силовых линиях и трансформаторах до 15 %

Сегодня компании из различных секторов экономики сталкиваются с проблемой роста реактивной мощности в электрических сетях. Использование специальных устройств для компенсации или сглаживания этих эффектов позволяет не только продлить срок службы дорогостоящей техники, но и снизить энергопотребление. Увеличение числа разнородных нагрузок в современных электросетях приводит к росту реактивной мощности, а также увеличению нелинейных искажений. Помехи способствуют увеличению затрат на электроснабжение, а также могут причинить вред дорогостоящей технике, сокращая срок ее службы. Именно поэтому такие учреждения и организации, как заводы «Николь Пак» в Учалы, TAKEDA по производству лекарств в Ярославле и железнодорожный вокзал Уфы, используют системы компенсации реактивной мощности стоимостью несколько миллионов рублей.

Причина возникновения реактивной мощности

Простые потребители электроэнергии, такие как нагреватели или лампы накаливания, не создают искажений и не влияют на качество электропитания. Но чем чаще в сетях встречаются инверторы, электрические двигатели, частотные преобразователи, импульсные источники питания, ИБП, люминесцентные и светодиодные лампы, тем сильнее увеличивается потреб-ление реактивной мощности, растут токи в проводниках, полезная энергия уходит в нагрев и вибрации.

По статистике Legrand, из-за наличия гармонических помех в сети и большого количества реактивной составляющей тока в электросетях теряется до 40 % полезной мощности. А поскольку сегодня как на промышленных объектах, так и в обычных офисах и жилых комплексах появляется все больше разнообразных устройств, с проблемой реактивных мощностей приходится бороться практически во всех сферах. Многие организации устанавливают мощные ИБП, обеспечивая резервирование питания для критически важных нагрузок, однако низкое качество электроэнергии может нанести вред даже хорошо защищенному оборудованию. Поэтому критически важно применять целый комплекс необходимых мер, включающий в себя компенсацию реактивных мощностей и сглаживание гармоник высшего порядка.
Устройства компенсации реактивной мощности

Самый экологичный и эффективный способ борьбы с реактивной мощностью – это использование устройств компенсации реактивной мощности (УКРМ). Они могут представлять собой автоматические конденсаторные установки, которые уравновешивают реактивную нагрузку, сводя ее к минимуму. Практика показывает, что установка УКРМ позволяет снизить потребление реактивной мощности до 90 %. Это становится возможным за счет уменьшения потерь в силовых кабелях и трансформаторах.

Установка постоянно измеряет расхождение фаз тока и напряжения и меняет свою емкость в зависимости от колебаний со стороны потребителей. Например, для подключения мощных устройств в линейке Legrand имеются конденсаторные установки и модули ALPIMATIC с электромеханическими контакторами. А для более динамических сред с большим количеством коммутаций и сложными переходными процессами были разработаны конденсаторные установки ALPISTATIC с полупроводниковыми контакторами.

В каждый момент времени УКРМ создает противовес реактивной нагрузке и может довести полезность мощности до 97 %. Благодаря этому работа УКРМ способствует уменьшению количества фактически потребленной энергии в кВА, а также гарантирует повышение стабильности уровня напряжения для потребителей. За счет этого снижаются затраты на электроэнергию, а также продлевается срок безаварийной работы самой разной техники.

Активные фильтры

Однако существуют такие ситуации, когда высокочастотное оборудование в электросети создает гармонические помехи. Их прямая компенсация не приведет к значительной экономии, однако наличие гармонических искажений в сети способно нанести серьезный вред станкам с ЧПУ, двигателям и другому дорогостоящему оборудованию.
Для борьбы с искажениями используются активные фильтры. Подобное устройство не просто сглаживает, но непрерывно генерирует компенсационный ток в противофазе к гармоникам искажений. При времени реагирования менее 300 мкс (например, такой параметр обеспечивает фильтр ECOsineActive) система оперативно устраняет гармонические искажения и восстанавливает синусоидальную форму тока.

За счет возможности компенсации больших всплесков (номинальный ток – до 300 А) и защите от вредоносной среды на уровне вплоть до IP54 современные активные фильтры успешно применяются в промышленности. Так, на проекте для завода TAKEDA в Ярославле в дополнение к системам УКРМ также был установлен активный фильтр гармоник APFSC4P400V120A, который обеспечивает расширенные возможности для защиты оборудования.

Активный фильтр может повышать качество электропитания, нейтрализуя гармоники вплоть до 50-го порядка, а также помогает компенсировать реактивную мощность, обеспечивая баланс токов в системе, многократно снижая уровень нагрева и вибраций. Благодаря этому износ оборудования сводится к минимуму и соблюдаются лимиты энергопотребления, ставшие характерными для многих поставщиков электроэнергии.

Оценка энергоэффективности

Перед установкой таких решений, как УКРМ и активные фильтры, обязательно проводится оценка состояния электросетей. Это особенно актуально для энергоемких отраслей, где затраты на энергию превышают 40 % (например, в нефтепереработке этот показатель достигает 54,7 %).

Чтобы провести точную оценку целесообразности применения оборудования для компенсации реактивной мощности, представительства Legrand в регионах России используют анализаторы параметров электропитания HTL 103 от ChauvinArnoux. Это одни из наиболее совершенных, компактных и удобных устройств в своем классе, которые позволяют быстро оценить состояние электросетей и возможные выгоды от использования УКРМ и активных фильтров.
Каждый клиент может заказать обследование, по итогам которого в специальной программе будут рассчитаны потери из-за возникновения реактивной мощности, а также предложены конкретные модели оборудования, которые позволят справиться с ними с максимальной эффективностью. Для большинства задач подходят установки компенсации реактивной мощности усиленного класса, а для самых тяжелых нагрузок подходит категория УКРМ сверхусиленного класса, комплексный проект по установке которых можно получить сразу после обследования.
Ежегодно спрос на энергоаудит в России растет. Так, например, в 2018 году наши специалисты проводили анализ энергопотребления на 70 объектах. По итогам принятых мер более 100 предприятий за эти два года добились снижения энергопотребления, а на 7 объектах срококупаемости установленных УКРМ и активных фильтров составил менее 12 месяцев.

Заключение

В среднем срок окупаемости инвестиций в УКРМ и активные фильтры составляет от 1 до 4 лет и достигает минимальных значений в энергоемкой промышленности. Но даже офисные центры уже через несколько лет начинают экономить на одних только счетах от энергетических компаний, не говоря уже о снижении затрат на обслуживание самой разнообразной техники, которая дольше работает без поломок благодаря наличию качественного электропитания.

Вложение в создание систем УКРМ и установку активных фильтров оправдывает себя как капитальное вложение, так как оно приводит к снижению операционных затрат уже с первых дней эксплуатации систем. А наличие на рынке полностью локализованных решений, все компоненты которых производятся в России и постоянно доступны для заказчиков, помогает предприятиям гарантировать защиту собственных инвестиций, обеспечивая в долгосрочной перспективе дополнительную экономию.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник