Теория компенсации реактивной мощности

В цепях переменного тока существует много элементов, которые разделены воздушными промежутками – обмотки высокого и низ­кого напряжения трансформаторов или статор и ротор вращающей­ся машины (двигателя и генератора) не имеют электрической связи между собой. Тем не менее электрическая энергия передается через это воздушное пространство, являющееся фактически непроводящим ток диэлектриком. Это происходит в связи с возникновением под действием переменного тока переменного магнитного поля в ин­дуктивности, а под действием переменного напряжения — перемен­ного электрического поля в емкости (в комбинации — электромаг­нитного поля). Полям, как известно, воздух не преграда. Перемен­ное магнитное поле, образуемое одной из разделенных обмоток, постоянно пересекает своими магнитными линиями витки другой обмотки, наводя в ней электродвижущую силу. Ее величина тако­ва, что вся мощность первичной обмотки переходит на вторичную обмотку. В конденсаторе те же самые функции осуществляет элек­трическое поле.

Магнитное и электрическое поля существуют вокруг любого про­водника, который находится под напряжением и по которому идет ток. Теоретически можно передать мощность по воздуху с одной из параллельно проложенных линий на другую. Правда, чтобы пере­дать существенную мощность, линии должны быть длиной в сотни тысяч километров. Для переброски через воздушные промежутки большой мощности в устройстве приемлемого размера нужно силь­ное магнитное поле, сконцентрированное в небольшом простран­стве. Это достигается обматыванием вокруг металлического сердеч­ника (ярма) многочисленных витков, расположенных близко друг к другу, и применением для изготовления сердечников специаль­ной стали, обеспечивающей большую взаимоиндукцию.

Электромагнитная энергия непосредственно преобразуется в те­пловую, механическую, химическую и другие виды полезной работы в элементах, обладающих активным сопротивлением, обозначае­мым R. В элементах, представляющих собой индуктивность L и ем­кость С, электромагнитная энергия на половине периода запасается, а на второй половине периода возвращается в источник. При этом синусоида тока, создающего магнитное поле, всегда на четверть пе­риода (90 эл. градусов) отстает от синусоиды напряжения, а сину­соида тока, создающего электрическое поле, опережает.

Сопротивления таких элементов связаны с индуктивностью и ем­костью и частотой f соотношениями:

где – угловая частота;
f – частота (физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов, совершённых за единицу времени), герц — Гц.
L – индуктивность (физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи), генри — Гн;
С – емкость (характеристика проводника, показывающая способность проводника накапливать электрический заряд), фарад — Ф;

Из этих соотношений видно, что эти сопротивления существуют только в цепях переменного тока, а в цепях постоянного тока f = 0, т.е. XL превращается в 0 (короткое замыкание), а Xc -в бесконечность (разрыв цепи). В связи с возвратным характером их действия эти со­противления называют реактивными, а ток, обусловленный обмен­ной электромагнитной энергией, — реактивным током. Так как реак­тивный ток сдвинут относительно активного на 90°, то естественно, что полный ток определяется как корень квадратный из суммы ква­дратов активного и реактивного тока.

Полупериоды запасания и возврата электромагнитной энергии индуктивностью и емкостью сдвинуты на 180° (у первой ток сдви­нут на -90°, а у второй на +90°), то есть они находятся в противофазе.

Активная нагрузка                      Индуктивная нагрузка                        Емкостная нагрузка

Поэтому при наличии рядом сопротивлений XL = Хс обмен­ная часть электромагнитной энергии не возвращается в источник, а эти элементы постоянно обмениваются ею между собой. Эта операция и называется компенсацией реак­тивной мощности (КРМ).

Реактивная энергия не выполняет никакой работы в том смыс­ле, что она не может, как активная энергия, превращаться в тепло­вую или механическую энергию. Так как в физике понятия энергии и работы тождественны, то, строго говоря, словосочетание «реак­тивная энергия» физически бессмысленно. Тем не менее примене­ние на практике этого условного понятия удобно. Раз уж возникает дополнительный ток, названный реактивным, то его произведение на напряжение вроде бы по-другому как мощностью не назовешь, а интегрирование мощности по времени формально называется энер­гией. Более того, сдвинув на 90° обмотку электрического счетчика, можно заставить его считать произведение на напряжение только тока, сдвинутого на 90°, — появляется наглядное подтверждение су­ществования реактивной энергии.

Реактивный ток не только отнимает у активного тока часть пропускной способности сети, но и на его прохождение по проводам затрачивается определенная часть активной энергии, так как по­тери мощности,

где I — полный ток.

Счетчик активной энергии (по большому счету только ее и можно назвать энергией, поэтому он называется просто счетчик электроэнергии) покажет одно и то же значение и при наличии, и при отсутствии реактивной составляющей тока. Поэтому только по его показаниям нельзя пра­вильно оценить режимы линий передачи электроэнергии (в при­веденном выше примере счетчик будет показывать движение вось­ми рядов, полностью игнорируя два двигающихся туда и обратно). Для оценки же режима сети необходимо знать обе составляющие. Активная и реактивная составляющие полного тока по-разному влияют на напряжение в точках потребления энергии. Потери на­пряжения от передачи активной составляющей тока в подавляющей степени определяются сопротивлением R, а реактивной — сопро­тивлением XL. В элементах линий электропередачи обычно , поэтому прохождение по сети реактивного тока приводит к гораз­до большему снижению напряжения, чем активного тока той же ве­личины.
Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока, равна произведению действующих значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз между ними: Q = UI sin .
Компенсация реактивной мощности – комплекс мер по снижению потребления реактивной мощности из питающей сети с использованием компенсирующих устройств.
Компенсация реактивной мощности дает ряд преимуществ:

• Высвобождение дополнительной мощности трансформаторов за счет снижения реактивной и как следствие полной мощности.
• Уменьшение потерь активной составляющей за счет уменьшения фазных токов в сети потребителя (провода и кабели можно использовать меньшим сечением).
• За счет снижения реактивной мощности, применения линий электропередач меньшего сечения (провода и кабели можно использовать меньшим сечением).
• Продление сроков службы силового оборудования за счет снижения нагрузок и нагрева.
• Экономия на оплате электроэнергии и мощности. Применение повышающих или понижающих коэффициентов к тарифу на передачу электроэнергии при участии в регулировании или несоблюдения соотношения реактивной и активной мощности.
• Возрастает качество электроэнергии у потребителей (улучшается освещенность на рабочих местах, увеличивается производительность оборудования, улучшается качество изделий).
• Уменьшение количества аварийных ситуаций на электроустановках потребителя
• Уменьшается уровень гармоник в сети.

На промышленных предприятиях применяют следующие ком­пенсирующие устройства:

• для компенсации реактивной мощности — синхронные двигате­ли и параллельно включаемые батареи силовых конденсаторов (УКРМ);
• для компенсации реактивных параметров передачи — батареи си­ловых конденсаторов последовательного включения.