Контроллеры компенсации реактивной мощности

Как выглядит реактивная мощность?

Итак, давайте обсудим популярную тему в сфере сбережения электроэнергии – компенсацию реактивной мощности. Пожалуй, лучшей иллюстрации того, что такое реактивная мощность и не придумаешь:

Иллюстрация о реактивной мощности – сравнение с пивом

Бокал – это выделенная или полная мощность, пиво – активная, а пена – реактивная мощность.

Наглядно процесс образования реактивной мощности, которая возникает при питании электродвигателя, изображен на картинке. Кстати, именно электродвигатели – главные “виновники” появления реактивной составляющей мощности в питающих сетях.

Как выглядит полная мощность при питании электродвигателя

Как решается вопрос снижения «пены»? При помощи устройств для компенсации реактивной мощности: на основе конденсаторов (классическое устройство компенсации реактивной мощности, УКРМ) или специализированных инверторов (Статком или SVG). УКРМ становятся локальным «источником» компенсационной реактивной мощности, и, тем самым, высвобождают выделенную мощность, поступающую из внешней электросети.

Компенсация реактивной мощности на конденсаторной установке

В принципе это всё, что нужно знать о компенсации реактивной мощности, если не погружаться в специфику. Но тут возникают вопросы, связанные с экономическим аспектом внедрения УКРМ, а также особенности совместной работы с другим оборудованием.

Для чего нужна установка компенсации реактивной мощности?

Как известно из курса электротехники, электрическая энергия бывает двух видов: активная и реактивная. Активная — это та энергия, которая потребляется (преобразуется) из одного вида в другой и выполняет какую-либо полезную работу. Например, крутит вал электродвигателя, нагревает нагревательный элемент, преобразуется в световой поток и освещает что-нибудь. Реактивная энергия — это энергия, которая циркулирует от источника к потребителю и назад. Она не потребляется, а возвращается назад в источник, чем оказывает паразитное воздействие на электрическую сеть.

Казалось бы, что плохого в реактивной энергии? Ну, носится она туда-сюда, что с неё взять? Однако, нужно понимать, что чем её больше, тем меньше активной энергии передается от источника к потребителю, потому что провод в зависимости от сечения имеет ограничения на передачу тока. Следовательно, выполняется меньше полезной работы, то есть коэффициент полезного действия питающей линии уменьшается. Пропускать по питающей линии больше энергии — нужно увеличивать сечение провода, а это дорого. Поэтому самый лучший вариант — избавиться от реактивной энергии совсем.

Есть несколько способов это сделать. Один из них — установка устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ). Это самый простой и дешевый способ поднятия КПД питающей линии. Суть его заключается в том, что у потребителя устанавливаются батареи конденсаторов, которые являются накопителями электроэнергии. Как известно, потребители электроэнергии имеют активно-индуктивный характер, т. е. состоят из активных потребителей (например, нагреватели) и активно-индуктивных (обмотки трансформаторов, катушки реле, электродвигатели — провода в них тоже нагреваются). Так же известно, что при таком характере нагрузке ток отстает он напряжения на угол от 0 до 90 градусов. Проще говоря, когда напряжение на нагрузке уже достигло максимума (амплитудного значения), ток еще не успел этого сделать и достигнет максимума чуть позже, когда величина напряжения будет уменьшаться. Идеальным вариантом является ситуация, когда ток без опоздания от напряжения появляется на нагрузке и точь-в-точь повторяет форму напряжения. Это характерно для чисто активной нагрузки.

Если к индуктивности ток бежит неохотно, то к ёмкости он бежит вперед напряжения. Ток обожает ёмкость. Поэтом, чтобы «приманить» ток к нагрузке, и устанавливают конденсаторные батареи. К ним ток бежит охотнее, работает — не ленится, поэтому КПД линии повышается.

Это свойство и используют для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию. Сама конденсаторная установка — простейшее устройство, состоящее из конденсаторов, которые подключаются параллельно друг другу. Подключаются они могут все сразу — тогда конденсаторная установка является не регулируемой — или в определенной последовательности, в зависимости от набора емкостей. Каждый набор называют ступенью. Ступени предназначены для дробления общей емкости УКРМ и чем их больше, тем точнее УКРМ позволяет регулировать коэффициент мощности.

Если УКРМ регулируемая, то в её составе есть специальный контроллер, которому для поддержания нужного коэффициента мощности требуется информация о напряжении и токе нагрузки. Зная напряжение и ток, контроллер вычисляет рассогласование между ними (отставание или опережение тока от напряжения), а это и есть коэффициент мощности или COS φ. По величине рассогласование контроллер определяет сколько ступеней подключить или отключить, чтобы добиться заданной величины COS φ. Вот так вот всё просто и не затейливо.

Технические характеристики установок КРМ 6(10) кВ

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальное напряжение, кВ	6; 10
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	7,2; 12,0
Номинальная мощность, квар:	От 50 до 4000
Номинальный ток сборных шин, А	400, 630
Ток термической стойкости, кА	12,5; 16,0; 20,0
Ток электродинамической стойкости (амплитуда), кА	32,0; 41,0; 51,0
Время протекания тока термической стойкости, с:	главные цепи — 3 с; цепи заземления — 1 с
Минимальная мощность регулируемой ступени, кВАр	50
Количество ступеней регулируемых мощности	до 12
Климатическое исполнение	У3
Номинальная частота, Гц	50
Уровень изоляции по ГОСТ 1516.3-96	а
Номинальное напряжение вспомогательных цепей, В	постоянный ток — 110, 220 В; переменный ток — 100, 220 В
Степень защиты оболочки шкафа по ГОСТ 14254	IP31
Вид изоляции	Воздушная и твердая
Наличие изоляции токоведущих шин главных цепей	С неизолированными шинами; С изолированными шинами
Наличие выдвижных элементов в шкафах	Без выдвижных элементов
Вид линейных высоковольтных присоединений	Кабельные
Условия обслуживания	Одностороннего обслуживания; Двустороннего обслуживания
Вид основных шкафов в зависимости от встраиваемой аппаратуры и присоединений	С контакторами С разъединителями С токоограничивающими реакторами С фильтром гармоник С конденсаторными батареями
Вид оболочки шкафа	Сплошная металлическая
Наличие перегородок между отсеками шкафа	Со сплошными металлическими перегородками
Наличие дверей в отсеке выдвижного элемента шкафа	С дверьми
Вид управления регулируемой ступенью	Местное Дистанционное
Система вентиляции	Естественная Принудительная
Габаритные размеры шкафа УКРМ	ширина — 300, 600, 750 мм; глубина — 1000 мм; высота — 2000 мм
Масса шкафа УКРМ, кг, не более	750

Компенсация реактивной мощности (КРМ).

Следует понимать, что реактивная мощность бывает двух характеров – индуктивная и емкостная. Нас интересует компенсация только первого типа, т.к. второй встречается редко. В нашем случае – сетях с индуктивной нагрузкой – для увеличения cos ф требуется устанавливать компенсационные конденсаторы. Но как это сделать?

Выбор способа компенсации предполагает определение места установки конденсаторов (зачастую в составе конденсаторной установки (далее КУ)). Существует три основных варианта:

Индивидуальная компенсация

Размещение конденсаторов у устройств с низким cos ф и включение одновременно с последними.

Групповая компенсация

Размещение конденсаторов у группы устройств (например, пожарных насосов).

Централизованная компенсация

Предусматривает установку КУ на главном распределительном щите. Если предыдущие варианты могли быть как регулируемыми, так и нет, то этот, как правило, регулируемый.

Рис.3. Способы компенсации.

При правильном подборе КУ мероприятия по компенсации реактивной мощности позволяют:

• существенно уменьшить нагрузку на трансформаторах, а следовательно уменьшить их нагрев и увеличить срок службы
• при включении КУ в расчет при проектировании новых объектов, существенно уменьшить сечение проводников
• при включении КУ в уже существующие сети, разгрузить их, повышая пропускную способность без реконструкции
• снизить расходы на электроэнергию за счет снижения потери в проводниках
• повысить стабильность напряжения (все) и качество электроэнергии (при использовании ФКУ)

Где мы можем сэкономить видно невооруженным глазом, но для начала придется и потратиться.

Во-первых, необходимо заказать проект, который следует доверить проверенной организации. Которая в свою очередь проведет ряд измерений или сделает расчеты для новых объектов и исходя из них даст рекомендации по способу компенсации, типу КУ и их параметрам.

Во-вторых, следует выбрать организацию-сборщика, которая соберет, установит и настроит наши КУ.

Расчет мощности УКРМ

Коэффициент реактивной мощности на стороне ВН определяется следующим образом:

(2)

Потребляемая активная мощность на шинах ВН складывается из активной мощности нагрузки и активных потерь мощности в трансформаторе:

(3)

Потребляемая реактивная мощность на шинах ВН складывается из реактивной мощности нагрузки и реактивных потерь мощности в трансформаторе за вычетом расчетной мощности компенсирующего устройства:

(4)

Выразим реактивную мощность нагрузки через известные величины (см. рис.1):

(5)

(6)

Потери активной и реактивной мощности в трансформаторе зависят от передаваемой мощности и рассчитываются по формулам (7) и (8):

(7)

(8)

где ΔP_xx – потери активной мощности холостого хода трансформатора (паспортные данные), кВт;

ΔQ_μ – потери реактивной мощности холостого хода трансформатора, квар;

ΔP_нагр. (ΔQ_нагр.) – нагрузочные активные (реактивные) потери в трансформаторе, кВт (квар);

ΔP_к – потери активной мощности короткого замыкания трансформатора (паспортные данные), кВт;

S_НН – потребляемая полная мощность на шинах НН, кВ*А:

(9)

S_Т – номинальная полная мощность трансформатора, кВ*А;

I_хх – ток холостого хода трансформатора, %;

U_к – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

Следует заметить, что расчеты по формулам (7) – (9) носят приближённый характер, так как на этом этапе нельзя определить значение Q_НН из-за того, что неизвестно расчетное значение реактивной мощности компенсирующего устройства Q_КУ.р, см. формулу (4). В этом случае можно:

• принять Q_КУ.р = 0 и выполнить расчет без компенсирующего устройства;
• принять Q_КУ.р = Q_р.нагр. и выполнить расчет при полной компенсации реактивной мощности на шинах НН (этот вариант рекомендуется использовать из-за меньшей расчетной погрешности первой итерации расчёта потерь в трансформаторе).

Подставляя в (2) выражения (3), (4) и (5), получим выражение для расчета коэффициента реактивной мощности на шинах ВН, где вторым неизвестным является значение реактивной мощности компенсирующего устройства Q_КУ:

(10)

Так как максимальное значение коэффициента реактивной мощности на шинах ВН нормировано, значит должно выполняться следующее условие:

(11)

Выполнение условия (11) необходимо по нормативным требованиям, но недостаточно, так как коэффициент реактивной мощности может быть отрицательной величиной. Действительно, если в (10) Q_КУ.р будет достаточно большой величиной, чтобы числитель дроби стал отрицательным, то получим перекомпенсацию реактивной мощности Q_ВН< 0 (генерацию в сеть высокого напряжения) и tgϕ_ВН < 0. Перекомпенсация реактивной мощности также нежелательна, как и недокомпенсация, так как в сети опять появляются дополнительные потери мощности и энергии в электрической сети и возрастают капитальные затраты на её строительство. Таким образом, наряду с максимальным значением коэффициента реактивной мощности должно задаваться его минимальное значение tgϕ_min. В отсутствие нормативных требований к величине tgϕ_min его значение может быть определено из следующих соображений:

• если генерация реактивной мощности в сеть ВН недопустима, то tgϕ_min = 0;
• если нельзя превышать заданный уровень потерь мощности и энергии в сети, а также обеспечить работу оборудования в номинальных режимах (перекомпенсация допустима), то tgϕ_min = -tgϕ_max.

Необходимое и достаточное условие для выбора УКРМ выглядит следующим образом:

(12)

Подставив (10) в (12), получим:

(13)

Рассмотрим отдельно левую и правую части выражения (13).

Очевидно, что tgϕ_max будет при наименьшем расчетном значении реактивной мощности компенсирующего устройства Q_КУ.р.min. Заменим в (13) Q_КУ.р на Q_КУ.р.min и подставим знак равенства между правой и средней частью выражения:

(14)

Выразив в (14) Q_КУ.р.min и выполнив необходимые преобразования (15), получим выражение для расчета минимально допустимой мощности компенсирующего устройства (16):

(15)

(16)

Аналогично для левой части (13), tgϕ_min будет при наибольшем расчетном значении реактивной мощности компенсирующего устройства Q_КУ.р.max. Соответственно, выражение для расчета максимально допустимой мощности КУ:

(17)

Номинальная мощность установки компенсации реактивной мощности выбирается из условия:

(18)

где Q_КУ.р.max и Q_КУ.р.min – граничные значения реактивной мощности УКРМ, определенные для расчётных значений P_р.нагр. и cosϕ_р.нагр..

Подставив (16) и (17) в (18), получаем окончательные выражения для выбора номинальной реактивной мощности УКРМ:

(19)

(20)

Выбрав УКРМ, проводим вторую итерацию расчетов по формулам (7) – (9), подставляя в формулы вместо Q_КУ.р значение Q_КУ.ном, и уточняем величину Q_КУ.ном по выражениям (19) и (20).

Конструкция, назначение и принцип работы компенсаторов реактивной мощности (КРМ)

Конструкция, назначение и принцип работы компенсаторов реактивной

В промышленном производстве наблюдается опережающий рост потребления реактивной мощности по сравнению с активной. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели — на их долю приходится 65-70 % реактивной мощности, потребляемой предприятием, на трансформаторы — 20-25 %, на другие приёмники — около 10 %. В качестве компенсирующих устройств на промышленных предприятиях широко применяются батареи конденсаторов (БК): шунтовые БК — для генерации реактивной мощности в узлах сети (поперечная компенсация); устройства продольной компенсации (УПК) — для уменьшения реактивного сопротивления линий.

Шунтовые БК включают как на шины 0,4-10 кВ подстанций (групповая компенсация), так и на зажимы крупных потребителей реактивной мощности (индивидуальная компенсация).

К таким устройствам относятся также групповые автоматизированные конденсаторные установки (АКУ) и локальные КРМ. В отличие от АКУ КРМ состоят из К.-Ь-С деталей, соединенных специальным образом, и подключаются непосредственно на зажимы потребителя или через кабель длиной до 40 м.

Это дает возможность не только компенсировать реактивную мощность (функция АКУ), но и уменьшить потребление активной мощности двигателем.

Чтобы эффект был максимальным, КРМ подбирают индивидуально к каждому двигателю при помощи набора переносных подстроечных К-Ь-С узлов, смонтированных в одном блоке. По полученным данным на заводе изготавливают КРМ для обследованного двигателя.

Чтобы получить экономию активной энергии при работе двига% и снижение потребляемой реактивной мощности до 5-8% при сроке окупаемости КРМ за 2,5-3 года, необходимо выполнение следующих условий:

— у работающего двигателя должен быть со5 ц> 1

Закрытое акционерное общество «Измеритель-авто»

Компенсаторы

для экономии электроэнергии на Вашем предприятии

КРМ — належное, простое п обслуживании и нелорогое устройство,

включаюшее в себя результаты исслелований параметров

потребляемой электрической энергии.

Излелие имеет Сертификат соответствия

№ РОСС Ш.ЛЕ05.Н01540

Предлагаемое устройство имеет в своем составе блоки конденсаторов специального исполнения со множеством параллельных цепей, состоящих из последовательно соединенных емкости и индуктивности, параметры которых являются расчетными. Поскольку только точный подбор параметров КРМ дает необходимый экономический эффект, их выбор и настройка для каждого электроприемника осуществляется индивидуально. Необходимо отметить, что подобных результатов нельзя достичь, применяя групповые компенсаторы.

Новизна технологии вносит изменения в эксплуатационные характеристики злектроприемников. Так, включение КРМ в работу с асинхронным двигателем позволит уменьшить кратность пускового тока и повысит КПД данного двигателя.

Полная компенсация

Совместная работа компенсатора с нагрузкой позволяет уменьшить ток на 40%. На эту же величину разгружаются не только генераторы энергосистемы, но и линии электропередачи Вашего предприятия

Вследствие компенсации потока реактивной мощности (до 100%) уменьшаются и потери активной мощности на ее передачу и, что немаловажно, уменьшаются потери напряжения всети

Применение оборудования

КРМ применяют в трехфазных распределительных сетях частотой 50 Гц с напряже­нием 0,4 кВ, Компенсатор является индивидуальным дополнением к каждому электроприемнику индуктивного характера: сварочные трансформаторы, индукционные печи, асинхронные двигатели и др.

Рекомендуем в первую очередь рассмотреть возможность внедрения КРМ в приводах с ДЦ — как наиболее масштабных потребителей реактивной моцности.

Обзор КРМ контроллера Prophi®

Назначение КРМ контроллера Prophi

Регулятор коэффициента мощности Prophi имеет оптимизированный способ контроля. Осуществляемое управление стандартными алгоритмами сокращает количество циклов переключения, а так же время работы каждой ступени конденсаторной установки.

Цель состоит в том, чтобы достичь одинакового количества циклов включений и, при возможности, одинакового времени работы каждой ступени системы КРМ.

Продолжительность жизни всей системы может быть значительно увеличена посредством использования автоматически регулируемой установки КРМ. Это значит, что инвестированный капитал зарабатывает деньги дольше.

Гибридное переключение (то есть комбинация конденсаторных контакторов и динамических тиристорных модулей для быстрого бесконтактного переключения конденсаторов) комбинирует преимущества быстрого переключения без возмущения электрической сети с преимуществами стоимости обычных устройств КРМ.

Области применения

1. Автоматическая регулировка компенсации реактивной мощности.
2. Компенсаторы реактивной мощности с фильтрацией.
3. Фильтр высших гармоник.
4. Стабилизация напряжения с помощью динамической КРМ.
5. Смешанный режим (гибридная схема) контакторы и тиристорные переключатели.

Основные характеристики

1. Автоматическая конфигурация.
2. Отображение U, I, f, Q, P, S, cos-phi, всех нечётных гармоник тока и напряжения, с 1 по 19.
3. Отображение косвенно измеренных токов конденсаторов.
4. Отображение количества включений каждой ступени.
5. Время работы при отключении питания −15мс.
6. Степень индуктивности в % программируема для каждой ступени от 0-20 %
7. Установка задержки включения для всех уровней защиты от 0-1200 секунд.
8. Мощность конденсатора может быть заданна вручную.
9. Датчик температуры для управления вентилятором.
10. Возможность установки предельного температурного порога для отключения.
11. Управление внешними полупроводниками (макс. 50 переключений в секунду).
12. Вход для трансформатора тока …/1A и …5/A.
13. Автоматическая или ручная конфигурация.
14. Защита паролем.
15. Внешнее переключение заданного cos-phi.
16. Сигнальный выход программируется для:
    • определения падения напряжения;
    • определения перенапряжения;
    • определения недокомпенсации;
    • определения превышения токов измерения;
    • определения пределов значений гармоник;
    • генерации активной энергии;
    • определения превышения температуры.

Интерфейс

Регулятор коэффициента мощности Prophi оборудован интерфейсом RS485 в зависимости от варианта продукта. Modbus RTU или Profibus DPV0 протоколы доступны через RS485, для подключения Prophi или соединения его с устройствами ПЛК (PLC).

Скорость коммуникации Modbus: 9.6, 19.2, 38.4, 57.6, 115.2 kBit/s
Скорость коммуникации Profibus: макс. до 1.5 Mbit/s

Размеры

Типичные варианты подключения

Баланс реактивных мощностей

В электрической системе суммарная генерируемая реактивная мощность должна быть равна потреб- мощности, источниками которой являются только генераторы электростанций, реактивная мощность генерируется как ими, так и другими источниками, к которым относятся воздушные и кабельные линии разных напряжений (Эл, а также установленные в сетях источники реактивной мощности (ИРМ) (компенсирующие устройства — КУ) мощностью Q
Поэтому баланс реактивной мощности в электрической системе представляется уравнением: (7)
Следует отметить, что уравнение баланса реактивных мощностей связано с уравнением баланса активных мощностей, так как: (8)
Генерация реактивной мощности на электростанциях зависит от числа и активной мощности работающих агрегатов, а потребление реактивной мощности — от состава электроприемников. При номинальном коэффициенте мощности генераторов cosφr= 0,85 коэффициент реактивной мощности tgφr = 0,6. Для потребителей коэффициент реактивной мощности tgφn0Tp = 0,3. Потери реактивной мощности на передачу в основном определяются потерями реактивной мощности в трансформаторах, при трех-четырех трансформациях суммарные потери мощности в трансформаторах могут достигать 40% от передаваемой полной мощности.
В линиях напряжением 110 кВ и выше генерация реактивной мощности (зарядная мощность) компенсирует реактивные потери в линиях и может превысить их. Таким образом, при выборе активной мощности генераторов энергосистемы по условию баланса активных мощностей и при работе генераторов с номинальным коэффициентом мощности генерируемая суммарная реактивная мощность без дополнительно используемых ИРМ может оказаться меньше требуемой по условию баланса реактивных мощностей:(9) В этом случае образуется дефицит реактивной мощности, который приводит к следующему:
• большая загрузка реактивной мощностью генераторов электростанций приводит к перегрузке по току генераторов; ности от генераторов по элементам сети приводит к повышенным токовым нагрузкам и, как следствие, к увеличению затрат на сооружение сети, повышенным потерям активной мощности;

1. недостаток реактивной мощности в системе влечет за собой снижение напряжения в узлах электрических сетей и у потребителей.

Для получения баланса реактивных мощностей вблизи основных потребителей реактивной мощности устанавливают дополнительные источники с выдаваемой реактивной мощностью QKy.
При избытке реактивной мощности в системе, т.е. при(10) в элементах электрической сети возникают перетоки реактивной мощности, встречные направлению потоков активной мощности, что приводит к повышению напряжений в узлах и увеличению потерь мощности. Данный режим характерен для периода минимальных нагрузок в системе.
Отсюда возникает задача оптимизации режима реактивной мощности в системе электроснабжения промышленного предприятия, выбора типа и мощности, а также места установки компенсирующих устройств. В системах электроснабжения городов с коммунально-бытовой нагрузкой компенсирующие устройства обычно не устанавливаются.
В качестве средств компенсации реактивной мощности используются статические конденсаторы напряжением до и выше 1 кВ и синхронные двигатели.

Оценка эффективности использования конденсаторных устройств для компенсации реактивной мощности на промышленном предприятии

Введение

1. Потребители реактивной мощности

2. Способы снижения потребления реактивной мощности

2.1 Виды компенсации реактивной мощности

. Способы и устройства компенсации реактивной мощности

. Компенсация реактивной мощности в сети предприятия — расчет
эффективности

5. Экономия электроэнергии

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы,
то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход
топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках, увеличивается
падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что
приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных
затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным
фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом
предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля
энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в
стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей
серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики
компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности — вот ключ к
решению вопроса энергосбережения.

1. Потребители реактивной мощности

В последние годы наблюдается значительный рост производства и развитие
инфраструктуры городов. В связи с этим увеличивается число и мощности
электроприемников, использующихся на производствах в основных технологических и
вспомогательных циклах, а объекты инфраструктуры применяют все большее
количество осветительных аппаратов для рабочего освещения, рекламы и дизайна.
Соответственно увеличивается потребляемая электрическая мощность. В зависимости
от вида используемого оборудования нагрузка подразделяется на активную и
реактивную (индуктивную и емкостную). Наиболее часто потребитель имеет дело со
смешанными активно-индуктивными нагрузками. Соответственно, из электрической
сети происходит потребление как активной, так и реактивной энергии. Активная энергия преобразуется в полезную — механическую,
тепловую и пр. энергии. Реактивная же энергия не связана с выполнением полезной
работы, а расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях,
трансформаторах, индукционных печах, сварочных трансформаторах, дросселях и
осветительных приборах. Показателем потребления реактивной энергии (мощности)
является коэффициент мощности сos. Он показывает соотношение активной мощности
Р и полной мощности S, потребляемой электроприемниками из сети:

сosφ = P / S

Значения коэффициента мощности нескомпенсированного оборудования
приведены в табл. 1, а усредненные значения коэффициента мощности для систем
электроснабжения различных предприятий — в табл. 2. В оптимальном режиме
показатель должен стремиться к единице и соответствовать нормативным
требованиям.

Физика процесса

Переменный ток идет по проводу в обе стороны, в идеале нагрузка должна полностью усвоить и переработать полученную энергию. При рассогласованиях между генератором и потребителем происходит одновременное протекание токов от генератора к нагрузке и от нагрузки к генератору (нагрузка возвращает запасенную ранее энергию). Такие условия возможны только для переменного тока при наличии в цепи любого реактивного элемента, имеющего собственную индуктивность или ёмкость. Индуктивный реактивный элемент стремится сохранить неизменным протекающий через него ток, а ёмкостный — напряжение. Через идеальные резистивные и индуктивные элементы протекает максимальный ток при нулевом напряжении на элементе и, наоборот, максимальное напряжение оказывается приложенным к элементам, имеющим ёмкостной характер, при токе, протекающем через них, близком к нулю.

Значительную часть электрооборудования любого предприятия составляют устройства, обязательным условием нормальной работы которых является создание в них магнитных полей, а именно: трансформаторы, асинхронные двигатели, индукционные печи и прочие устройства, которые можно обобщенно охарактеризовать как «индуктивная нагрузка». Гораздо реже применяются устройства, запасающие энергию, которые можно обобщенно считать ёмкостной нагрузкой.

Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через неё, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети. Для большинства промышленных потребителей это означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем, кроме совершающей полезную работу активной энергии, также протекает реактивная энергия, не совершающая полезной работы. Активная и реактивная энергии составляют полную энергию, при этом доля активной энергии по отношению к полной определяется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением — cosφ. Однако, протекая по кабелям и обмоткам в обратную сторону, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекающего по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — активные потери. В случае, когда cosφ = 1, вся энергия дойдет до потребителя. В случае cosφ = 0 ток в проводе возрастет вдвое, поскольку одинаковый по величине ток будет протекать в обоих направлениях одновременно. В этом режиме активная мощность нагрузкой не потребляется, за исключением нагрева проводников.

Таким образом, нагрузка принимает и отдает в сеть практически всю энергию, при этом возникает ситуация, в которой потребитель вынужден оплачивать энергию, которая не была использована фактически.
В противоположность индуктивным элементам, ёмкостные элементы (например, конденсаторы) стремятся сохранять неизменным напряжение на своих зажимах, то есть для них ток «опережает» напряжение. Поскольку величина потребляемой электроэнергии никогда не является постоянной и может меняться в существенном диапазоне за достаточно малый промежуток времени, то, соответственно, может изменяться и соотношение активной потребляемой энергии к полной (cosφ). При этом чем меньше активная нагрузка потребителя, тем меньше значение cosφ. Из этого следует, что для компенсации реактивной мощности необходимо оборудование (см. статью Компенсирующие устройства), обеспечивающее регулирование cosφ в зависимости от изменяющихся условий работы оборудования. Плавное регулирование cosφ обеспечивают синхронные двигатели и синхронные компенсаторы, ступенчатое — установки компенсации реактивной мощности (УКРМ), состоящие, как правило, из батарей ёмкостных элементов (конденсаторов), коммутационного оборудования и устройств управления. Принцип работы УКРМ заключается в подключении к сети необходимого в данный момент времени количества конденсаторов для известного мгновенного значения реактивной мощности.

Как установка помогает экономить деньги?

Установка КРМ, используется в промышленности, при эксплуатации в тандеме с электродвигателями, которые и являются основными потребителями реактивной мощности. Если «полезная» энергия тратиться на работу мотора, то реактивная приводит к снижению его эксплуатационных преимуществ. например, увеличивается риск преждевременной поломки, чаще нужны остановки оборудования для охлаждения, что отражается на производительности предприятия.

Без УКРМ пользователь платит и за бесполезную энергию

Реактивная доля электричества «гоняется» по проводам, не принося пользы, а из-за ее избытка возникает перегрев, обеспечивается дополнительная нагрузка на сеть и оборудование. Итог: у пользователя двойная потеря – переплата за нецелевую электроэнергию и повышенный риск поломок электрооснащения. А потери и риски сводятся к минимуму без значительных трат – покупкой и установкой УКРМ, И чем больше мощность потребляемой энергии, тем больше выгод от использования компенсатора.

Понятие об активной и реактивной мощностях

Когда электросеть включает в себя только активные нагрузочные компоненты, изменения фаз тока и напряжения совпадают друг с другом, и потребляемый ресурс ограничивается полезной мощностью (ее можно также называть активной). Но на практике сети часто включают в себя компоненты, несущие значительную индуктивную нагрузку. Продуцируемая ею реактивная мощностная компонента отличается отставанием одной из величин (напряжения либо тока) от другой. В итоге в периоды времени, когда величины имеют обратные друг другу знаки, мощность идет в сторону генератора, не выполняя полезную работу. Это приводит к тратам энергетических ресурсов вхолостую, при этом за эти траты платит потребитель.

Важно! Реактивная мощность создает избыточную нагрузку на кабельные элементы (для ее нивелирования требуется применение более толстых проводов), коммутационные и трансформаторные устройства, из-за чего они быстрее выходят из строя. Еще один побочный эффект – отклонение сетевого напряжения от номинального показателя

Фазовый сдвиг между токовой силой и напряжением