Нагрузка электрической системы наряду с активной всегда содержит реактивную составляющую. Под нагрузкой здесь понимается мощность, необходимая потребляющей части системы в некоторый рассматриваемый момент времени Таким образом, нагрузка — это активная и реактивная мощности, потребность в которых удовлетворяется генерирующей частью системы.
Активная мощность представляет собой энергию, которая потребляется цепью переменного тока за единицу времени Она выражается произведением действующих значений напряжения U, силы тока I и фазового сдвига между этими величинами на угол φ, т.е. Р = U• I cos φ.
Умножение активной мощности на время дает электрическую энергию, которая с помощью физических эквивалентов может быть выражена в других видах энергии (тепловой, механической и др.).
Активная мощность получается в результате преобразования первичных видов энергии (например, сжигания топлива на электростанциях). Потоки активной мощности всегда направлены от генераторов электростанций в сеть.
Реактивная мощность необходима потребителям электрической энергии, которые по принципу своего действия используют энергию магнитного поля. Потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели, индукционные печи, люминесцентное освещение» трансформаторы для дуговой сварки, а также отдельные звенья передачи электрической энергии — трансформаторы, реакторы, линии и др.
Формула реактивной мощности Q =UI sin φ, по своей структуре идентична формуле активной мощности Р = UI cos φ. Мало того, в выражении полной мощности S=(P2+Q2)0,5 оба эти компонента равноценны. Однако физически Р и Q существенно различны, и сходство между ними формальное.
Наша компания Тесла всегда готова проконсультировать Вас по вопросам компенсации реактивной мощности. Типовые установки для компенсации реактивной мощности можно посмотреть в соответствующем разделе сайта. Стоимость рассчитывается индивидуально.
Активная мощность является результатом перемножения периодических синусоидальных величин U и Ia = Icosφ совпадающих по фазе, а реактивная мощность — результатом такого же
перемножения величин U и IL = Isinφ, сдвинутых по фазе на угол 90 градусов (Рис.1).
Рисунок 1 — Разложение вектора полного тока на активную и реактивную составляющие
В первом случае перемножаются величины одного знака и синусоида мгновенных значений мощности р расположена выше оси абсцисс (рис 2, а), при этом мощность является определенной существенно положительной величиной. Во втором случае перемножаются величины как одного знака, так и разных знаков, а полупериоды результирующей синусоиды мгновенных значений мощности, имеющей удвоенную частоту, располагаются попеременно то выше, то ниже оси абсцисс так, что среднее значение мощности р за любой интервал времени, кратный полупериоду частоты равно нулю (рис. 2, б).
Рис. 2. Графики мгновенных значений мощности р = ui при u и i, совпадающих по фазе (а) и сдвинутых по фазе на 90° (б); заштрихованная площадь, ограниченная кривой мощности и осью абсцисс, соответствует энергии, поступающей в цепь (отмечено знаком +) и возвращаемой источнику (отмечено знаком —)
Количество магнитной энергии, периодически запасаемой индуктивностью, связано с характером изменения синусоидального тока. Она то накапливается в индуктивности до некоторого максимального значения, то убывает до нуля. За один период переменного тока магнитная энергия дважды поступает от генератора в цепь и дважды он получает ее обратно, т.е. реактивная мощность является энергией, которой обмениваются генератор и потребитель. Она не имеет никакого физического эквивалента для перевода в другие виды энергии. Физический смысл реактивной мощности сводится лишь к скорости изменения энергии магнитного поля, что необходимо, например, и при передаче энергии из одной обмотки трансформатора в другую, и при работе электродвигателя с механической нагрузкой на валу, где энергия статора электродвигателя передается ротору также с помощью переменного магнитного поля.
Для получения реактивной мощности не требуется непосредственных затрат первичной энергии (топливо на электростанциях не расходуется). Однако при обмене энергией между генератором и потребителем и обратно в обмотках генератора и в сети возникают дополнительные потери активной мощности, требующие затрат первичной энергии Так, например, потери в линии при передаче реактивной мощности в простейшей цепи однофазного синусоидального тока составят ΔРг = (Isinφ)2R, где R — активное сопротивление линии.
Таким образом, передача реактивной мощности к месту ее потребления сопряжена с активными потерями во всех звеньях передачи, которые должны покрываться активной энергией генераторов. Поэтому возникает проблема возможного снижения этих потерь.
В теории переменных токов рассматривают два вида реактивной мощности: реактивную мошность при отстающем от напряжения векторе полного тока генератора и реактивную мощность при векторе полного тока, опережающем вектор напряжения. Считают, что эти два вида реактивной мощности противоположны по направлению (по знаку) и при их совместном рассмотрении они компенсируют («уничтожают») друг друга, при этом сеть разгружается от реактивной мощности. В нагрузке электрических систем отстающая (индуктивная) составляющая реактивной мощности, как правило, преобладает над опережающей (емкостной) составляющей реактивной мощности Поэтому от генераторов электростанций требуют генерирования активной мощности и реактивной отстающей мощности, именно той реактивной мощности, которая требуется нагрузке. Для этого генераторы рассчитывают на работу с коэффициентом мощности cosφ < 1, что позволяет им выдавать в сеть значительную реактивную мощность и обеспечивать ее регулирование.
Получение реактивной мощности связано исключительно с уровнем возбуждения синхронной машины. Увеличение тока возбуждения приводит к увеличению генерирования реактивной мощности (при этом топливо дополнительно не расходуется). Снижение тока возбуждения приводит к противоположному результату.
Помимо синхронных генераторов источниками генерирования реактивной мощности в электрических системах являются емкостные их элементы — статические конденсаторы, линии электропередачи (особенно линии электропередачи высших классов напряжения), относительно перевозбужденные синхронные двигатели, синхронные компенсаторы и т.д., работающие параллельно с генераторами электростанций.
