что такое реактивная мощность квар

Что такое кВАр?

Основной единицей измерения мощности применительно к электрооборудованию является кВт (киловатт). Но существует и другая единица мощности, о которой знают далеко не все – кВАр.

кВАр (киловар) – единица измерения реактивной мощности (вольт-ампер реактивный – вар, киловольт-ампер реактивный – кВАр). В соответствии с требованиями Международного стандарта единиц систем измерения СИ, единица измерения реактивной мощности записывается «вар» (и, соответственно, «квар»). Однако широкораспространенным является обозначение «кВАр». Такое обозначение обусловленно тем, что единицей измерения полной мощности по СИ является ВА. В зарубежной литературе общепринятым обозначением единицы измерения реактивной мощности является «kvar«. Единица измерения реактивной мощности приравнивается к внесистемным единицам, допустимым к применению наравне с единицами СИ.

Приемники энергии переменного тока потребляют как активную, так и реактивную мощность. Соотношение мощностей цепи переменного тока можно представить в виде треугольника мощностей.

На треугольнике мощностей буквами P, Q и S обозначены активная, реактивная и полная мощности соответственно, φ – сдвиг фаз между током (I) и напряжением (U).

Значение реактивной мощности Q (кВАр) используется для определения полной мощности установки S (кВА), что на практике требуется, например, при расчете полной мощности трансформатора, питающего оборудование. Если более подробно рассмотреть треугольник мощностей, то очевидно, что компенсировав реактивную мощность, мы снизим и потребление полной мощности.

Потреблять реактивную мощность из снабжающей сети предприятиям крайне не выгодно, так как это требует увеличения сечений подводящих кабелей, повышения мощности генераторов и трансформаторов. Есть способы позволяющие получать (генерировать) её непосредственно у потребителя. Самым распространенным и эффективным способом является использование конденсаторных установок. Поскольку основной функцией, выполняемой конденсаторными установками является компенсация реактивной мощности, то и общепринятой единицей их мощности является кВАр, а не кВт как для всего остального электротехнического оборудования.

В зависимости от характера нагрузки на предприятиях могут применяться как не регулируемые конденсаторные установки, так и установки с автоматическим регулированием. В сетях с резко переменной нагрузкой используются установки с тиристорным управлением, которые позволяют подключать и отключать конденсаторы практически мгновенно.

Рабочим элементом любой конденсаторной установки является фазовый (косинусный) конденсатор. Основной характеристикой таких конденсаторов является мощность (кВАр), а не емкость(мкФ), как для остальных типов конденсаторов. Однако в основу функционирования как косинусных, так и обычных конденсаторов, заложены одни и те же физические принципы. Поэтому мощность косинусных конденсаторов, выраженную в кВАр, можно пересчитать в емкость, и наоборот, по таблицам соответствия или формулам пересчета. Мощность в кВАр прямо пропорциональна емкости конденсатора (мкФ), частоте (Гц) и квадрату напряжения (В) питающей сети. Стандартный ряд номиналов мощности конденсаторов для класса 0,4 кВ составляет от 1,5 до 50 кВАр, а для класса 6-10 кВ от 50 до 600 кВАр.

Важным показателем эффективности энергопотребления является экономический эквивалент реактивной мощности к_э (кВт/кВАр). Он определяется как снижение потерь активной мощности к уменьшению потребления реактивной мощности.

Значения экономического эквивалента реактивной мощности

Существуют и более «крупные» единицы измерения реактивной мощности, например мегавар (Мвар). 1 Мвар равен 1000 кВАр. В мегаварах как правило измеряется мощность специальных высоковольтных систем компенсации реактивной мощности – батарей статических конденсаторов (БСК).

Источник

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности — основные понятия

Постараемся дать простое объяснение того, что такое коэффициент мощности, и ответить на наиболее часто встречающиеся вопросы:

1) что такое коэффициент мощности?

2) каковы причины низкого коэффициента мощности?

3) почему следует повышать коэффициент мощности?

4) каким образом можно скорректировать (повысить) коэффициент мощности?

5) когда окупаются инвестиции в коррекцию коэффициента мощности?

6) что делать дальше?

Что такое коэффициент мощности?

Чтобы лучше уяснить, что такое коэффициент мощности, нужно начать с нескольких основных понятий:

Активная мощность (кВт), также называемая полезной мощностью или действующей мощностью. Это мощность, которая реально приводит в действие оборудование и выполняет полезную работу.

Реактивная мощность (квар). Это мощность, необходимая устройствам, принцип действия которых основан на использовании электромагнитного поля (трансформаторов, электродвигателей, реле) для вырабатывания магнитного потока.

Полная мощность (кВА). Это векторная сумма активной и реактивной мощностей.

Рассмотрим простую аналогию, чтобы лучше уяснить эти понятия.

Допустим, вы находитесь на стадионе в жаркий день и заказываете кружку своего любимого пива. Та часть вашей порции, которая утоляет жажду, представляет активную мощность (рис. 1).

Увы, жизнь несовершенна. Вместе с этим вы получаете и пену. И давайте посмотрим правде в глаза – пена нисколько не утоляет жажду. Эта пена представляет реактивную мощность. Общее содержимое кружки является суммой активной мощности (пива), кВт, и реактивной мощности (пены), квар.

Теперь, после того как мы разобрались с основными понятиями, можно перейти к коэффициенту мощности.

Коэффициент мощности (КМ) – это отношение активной мощности к полной мощности:

Если вернуться к нашей аналогии с кружкой пива, коэффициент мощности представляет собой отношение количества пива (кВт) к общему содержимому кружки, то есть к количеству пива с пеной (кВА).

КМ = кВт/(кВт + квар) = пиво/(пиво + пена)

Таким образом, при данной полной мощности:

· чем больше пены (чем выше процент реактивной мощности), тем меньше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной) и тем меньше коэффициент мощности;

· чем меньше пены (чем ниже процент реактивной мощности), тем выше отношение активной мощности (пиво) к полной мощности (пиво с пеной). Если пена (реактивная мощность) приближается к нулю, коэффициент мощности приближается к единице.

Наша аналогия с пивной кружкой немного упрощена. В реальности необходимо определять векторную сумму реактивной и активной мощностей. Поэтому следующим шагом будет рассмотрение угла между этими векторами.

Рассмотрим другую аналогию.

К сожалению, человек не может тянуть груз строго горизонтально (он получит сильные боли в спине), поэтому высота его плеч добавляет некоторое количество реактивной мощности (квар).

Полная мощность, прикладываемая человеком (кВА), – это векторная сумма реактивной и активной мощностей.

Соотношение между активной, реактивной и полной мощностями, а также определение коэффициента мощности иллюстрируются треугольником мощностей, изображённым на рис. 3.

кВА = кВт 2 + квар 2 = V х I х.

Заметим, что в мире нашей мечты по аналогии с кружкой пива:

(больше пива, меньше пены).

Аналогично в идеальном мире по аналогии с человеком, который тащит груз:

Поэтому чтобы иметь эффективную систему (будь то кружка пива или человек, который тащит тяжёлый груз), мы должны иметь коэффициент мощности, как можно более близкий к 1,0.

Однако бывает, что система распределения электроэнергии имеет коэффициент мощности гораздо меньше 1,0. Далее мы увидим, к чему это приводит.

Каковы причины низкого коэффициента мощности?

Так как коэффициент мощности является отношением активной мощности к полной мощности, легко понять, что к низкому коэффициенту мощности приводит ситуация, когда активная мощность невелика по сравнению с полной мощностью. Вспоминая нашу аналогию с пивной кружкой, можем сказать, что это бывает, когда уровень реактивной мощности (пены, плеч работника) велик.

Что приводит к большой величине реактивной мощности?

Индуктивные нагрузки, которые являются причиной возникновения реактивной мощности, включают в себя:

Такие индуктивные нагрузки потребляют основную часть мощности в производственных комплексах.

Реактивная мощность (квар), необходимая реактивным нагрузкам, увеличивает количество полной мощности (кВА) в системе распределения энергии (рис. 4). Это увеличение реактивной и полной мощности приводит к увеличению угла θ между активной и полной мощностью. Напомним, что cosθ (или коэффициент мощности) приувеличении θ уменьшается.

Таким образом, причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки с большой реактивной мощностью.

Почему следует повышать коэффициент мощности?

Есть несколько причин для увеличения коэффициента мощности. Вот некоторые преимущества, которые можно получить при улучшении коэффициента мощности.

1.Снижение платы поставщику электроэнергиив связи со следующими факторами:

a) Уменьшение величины максимальной мощности, предъявляемой к оплате.

Напомним, что причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки, которым нужна реактивная мощность. Увеличение реактивной мощности приводит к увеличению полной мощности, потребляемой от поставщика электроэнергии.

Таким образом, низкий коэффициент мощности предприятия вынуждает поставщика увеличивать мощность генерации и пропускную способность линии, чтобы справиться с дополнительным потреблением.

При увеличении коэффициента мощности используется меньше реактивной мощности. Это приводит к уменьшению активной мощности, то есть к снижению платы поставщику.

б) Исключение штрафа за коэффициент мощности.

Поставщики электроэнергии обычно выставляют дополнительный счёт потребителям, если их коэффициент мощности меньше 0,95 (если коэффициент мощности потребителя падает ниже 0,85, некоторые поставщики не гарантируют энергоснабжение). Таким образом, при увеличении коэффициента мощности можно избежать повышенных расходов на электроэнергию.

2.Увеличение пропускной способности системы энергоснабжения и уменьшение потерь электроэнергии

При добавлении в систему конденсаторов (являющихся источниками реактивной мощности) увеличивается коэффициент мощности и улучшается пропускная способность системы для активной мощности.

К примеру, трансформатор 1000 кВА с коэффициентом мощности 80% выдаёт мощность 800 кВт (600 квар):

Отсюда реактивная мощность – 600 квар.

При увеличении коэффициента мощности до 90% можно получить более высокую активную мощность при той же величине полной мощности:

Отсюда реактивная мощность – 436 квар.

Активная мощность системы увеличивается до 900 кВт, при этом потребляемая от поставщика реактивная мощность составляет только 436 квар.

Нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности системы распределения электроэнергии. При увеличении коэффициента мощности эти потери уменьшаются. В связи с продолжающимся ростом стоимости энергии повышение энергоэффективности предприятия имеет очень большое значение. При уменьшении потерь в системе появляется возможность подключения к ней дополнительной нагрузки.

3. Увеличение уровня напряжения в энергосистеме, уменьшение нагрева и более эффективная работа электродвигателей

Как уже говорилось, нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в системе распределения электроэнергии. При этом может снижаться уровень напряжения. Чрезмерное падение напряжения может стать причиной перегрева и преждевременного выхода из строя электродвигателей и других индуктивных устройств.

Поэтому при увеличении коэффициента мощности падение напряжения на фидерных кабелях и связанные с этим проблемы минимизируются. Двигатели будут меньше нагреваться и работать более эффективно, также несколько увеличатся их мощность и пусковой момент.

Как можно скорректировать (улучшить) коэффициент мощности?

Как упоминалось выше, источники реактивной мощности (индуктивные нагрузки) уменьшают коэффициент мощности. К таким нагрузкам относятся:

Соответственно, потребители реактивной мощности увеличивают коэффициент мощности. К ним относятся:

Поэтому нет ничего удивительного, что одним из методов увеличения коэффициента мощности является установка в систему конденсаторов. Этот и другие способы увеличения коэффициента мощности рассматриваются далее.

1. Установка конденсаторов (генераторов реактивной мощности).

При установке конденсаторов уменьшается величина реактивной мощности (пены из нашего примера), при этом увеличивается коэффициент мощности. На рис. 5 показан принцип действия этого метода.

Реактивная мощность (квар) индуктивных нагрузок всегда имеет сдвиг на 90º относительно активной мощности (кВт).

Индуктивность и ёмкость действуют со сдвигом на 180º относительно друг друга. Конденсаторы запасают реактивную энергию и затем её отдают со знаком, противоположным знаку реактивной энергии индуктивности. Наличие в цепи конденсатора и индуктивности приводит к постоянному поочерёдному перетеканию энергиимежду ними.

Поэтому, если схема сбалансирована, вся энергия, отдаваемая индуктивностью, поглощается конденсатором. Ниже приводится пример того, как конденсатор уменьшает влияние индуктивной нагрузки.

2. Минимизация работы двигателей на холостом ходу или с малой нагрузкой.

Мы уже говорили о том, что причиной низкого коэффициента мощности является наличие асинхронных двигателей. Но если говорить более конкретно, к низкому коэффициенту мощности приводит работа асинхронных двигателей с малой нагрузкой.

3. Недопущение работы оборудования при напряжении, превышающем его номинальное напряжение.

4. Замена стандартных двигателей по мере их выхода из строя на двигатели с повышенным кпд.

Даже у двигателей с повышенным кпд нагрузка сильно влияет на коэффициент мощности. Поэтому для реализации заложенного в его конструкцию высокого коэффициента мощности двигатель должен работать с нагрузкой, близкой к номинальной.

Когда окупаются инвестиции в коррекцию коэффициента мощности?

При установке конденсаторов на предприятии можно улучшить коэффициент мощности. Но установка конденсаторов стоит денег. Возникает вопрос: когда снижение платежей за электроэнергию окупит стоимость конденсаторов?

Можно провести расчёт окупаемости. В качестве примера рассмотрим часть энергосистемы предприятия, показанную на рис. 6. Коэффициент мощности составляет 0,65.

прейскурант тарифов на электроэнергию:

Мы можем рассчитать общую величину ежемесячной платы за электроэнергию следующим образом.

Сначала рассчитаем плату за потреблённую энергию:

Затем определяем плату за мощность:

И, наконец, определяем штраф за реактивную мощность:

Теперь предположим, что в систему установлена конденсаторная батарея (рис. 7). 190 квар конденсатора компенсируют 190 квар асинхронного двигателя икоэффициент мощности становится равным 1,0.

Параметры системы с конденсаторами:

Можно рассчитать снижение потерь:

снижение потерь = 1- (0,65 2 / 1,00 2 ) = 0,58

Поэтому снижение потерь в системе составит:

снижение потерь в системе = 0,58 х 0,05 (потери) = 0,029

Уменьшение общей активной нагрузки составит:

163 кВт х 0,029 = 4,7 кВт

Теперь можно рассчитать экономию при оплате за потреблённую энергию:

Затем определяем экономию на плате за мощность:

И, наконец, напомним, что штраф за реактивную мощность равен нулю.

Теперь определим срок окупаемости конденсаторной батареи.

Месячная экономия составляет:

$ 141,00 – стоимость потреблённой энергии

$ 10,15 – плата за мощность

$ 208,00 – штраф за реактивную мощность

Время окупаемости затрат составляет:

$30,00/квар х 190 квар/$359/мес. = 16 мес.

Установка конденсаторов окупится через 16 месяцев.

Что делать дальше?

Нужно посмотреть какой коэффициент мощности на предприятии и что можно сделать, чтобы его улучшить.

«Хомов электро» может помочь в определении оптимального способа коррекции коэффициента мощности для вашего предприятия. Мы также можем помочь выбрать место установки и тип конденсаторов, устанавливаемых в системе энергоснабжения.

Вы всегда можете позвонить нам или отправить сообщение по факсу или электронной почте, а также обратиться через наш веб-сайт.

Мы всегда рады обсудить проблемы, связанные с конкретными условиями работы вашего предприятия.

Источник

Что такое реактивная мощность и как её рассчитать?

Многие потребители электроэнергии не подозревают того, что часть учтённого электричества расходуется бесполезно. В зависимости от вида нагрузки уровень потерь электроэнергии может достигать от 12 до 50%. При этом счетчики электроэнергии засчитывают эти потери, относя их к полезной работе, за что приходится платить. Виной завышения оплаты за потребление электроэнергии, не выполняющей полезной работы, является реактивная мощность, присутствующая в сетях переменных токов.

Чтобы понять, за что мы переплачиваем и как компенсировать влияние реактивных мощностей на работу электрических установок, рассмотрим причину появления реактивной составляющей при передаче электроэнергии. Для этого придётся разобраться в физике процесса, связанного с переменным напряжением.

Что такое реактивная мощность?

Для начала рассмотрим понятие электрической мощности. В широком смысле слова, этот термин означает работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электрической энергии, понятие мощности немного откорректируем: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, реально характеризующую скорость генерации тока или количество переданной либо потреблённой электроэнергии в единицу времени.

Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.

Строго говоря, приведённая выше формула справедлива только для постоянного тока. Однако, в цепях синусоидального тока формула работает лишь тогда, когда нагрузка потребителей чисто активная. При резистивной нагрузке вся электрическая энергия расходуется на выполнение полезной работы. Примерами активных нагрузок являются резистивные приборы, такие как кипятильник или лампа накаливания.

При наличии в электрической цепи ёмкостных или индуктивных нагрузок, появляются паразитные токи, не участвующие в выполнении полезной работы. Мощность этих токов называют реактивной.

На индуктивных и ёмкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует выполнению полезной работы.

К устройствам с индуктивными нагрузками относятся:

Ёмкостными сопротивлениями обладают конденсаторы.

Физика процесса

Когда мы имеем дело с цепями постоянного тока, то говорить о реактивной мощности не приходится. В таких цепях значения мгновенной и полной мощности совпадают. Исключением являются моменты включения и отключения ёмкостных и индуктивных нагрузок.

Похожая ситуация происходит при наличии чисто активных сопротивлений в синусоидальных цепях. Однако если в такую электрическую цепь включены устройства с индуктивными или ёмкостными сопротивлениями, происходит сдвиг фаз по току и напряжению (см. рис.1).

При этом на индуктивностях наблюдается отставание тока по фазе, а на ёмкостных элементах фаза тока сдвигается так, что ток опережает напряжение. В связи с нарушением гармоники тока, полная мощность разлагается на две составляющие. Ёмкостные и индуктивные составляющие называют реактивными, бесполезными. Вторая составляющая состоит из активных мощностей.

Рис. 1. Сдвиг фаз индуктивной нагрузкой

Угол сдвига фаз используется при вычислениях значений активных и реактивных ёмкостных либо индуктивных мощностей. Если угол φ = 0, что имеет место при резистивных нагрузках, то реактивная составляющая отсутствует.

Важно запомнить:

Треугольник мощностей и cos φ

Для наглядности изобразим полную мощность и её составляющие в виде векторов (см. рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющей присвоим символы P и Q, соответственно. Поскольку вектор S является суммой составляющих тока, то, по правилу сложения векторов, образуется треугольник мощностей.

Рис. 2. коэффициент мощности

Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:

Отсюда можно найти реактивную составляющую:

Реактивная составляющая

Выше мы уже упоминали, что реактивная мощность зависит от сдвига фаз, а значит и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выражать через cos φ. По определению cos φ = P/S. Данную величину называют коэффициентом мощности и обозначают P_f. Таким образом, P_f = cos φ = P/S.

Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить эффективность работы тока. Данная величина находится в промежутке от 0 до 1.

Формулы

Поскольку реактивная мощность зависит от угла φ, то для её вычисления применяется формула: Q = UI×sin φ. Единицей измерения реактивной составляющей является вар или кратная ей величина – квар.

Активную составляющую находят по формуле: P = U*I×cosφ. Тогда

Зная коэффициент P_f (cos φ), мы можем рассчитать номинальную мощность потребителя тока по его номинальному напряжению, умноженному на значение силы потребляемого тока.

Способы компенсации

Мы уже выяснили, как влияют реактивные токи на работу устройств и оборудования с индуктивными или ёмкостными нагрузками. Для уменьшения потерь в электрических сетях с синусоидальным током их оборудуют дополнительными устройствами компенсации.

Принцип действия установок компенсации основан на свойствах индуктивностей и ёмкостей по сдвигу фаз в противоположные стороны. Например, если обмотка электромотора сдвигает фазу на угол φ, то этот сдвиг можно компенсировать конденсатором соответствующей ёмкости, который сдвигает фазу на величину – φ. Тогда результирующий сдвиг будет равняться нулю.

На практике компенсирующие устройства подключают параллельно нагрузкам. Чаще всего они состоят из блоков конденсаторов большой ёмкости, расположенных в отдельных шкафах. Одна из таких конденсаторных установок изображена на рисунке 3. На картинке видно группы конденсаторов, используемых для компенсации сдвигов напряжений в различных устройствах с индуктивными обмотками.

Рис. 3. Устройство компенсации

Компенсацию реактивной мощности ёмкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рисунке 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше сетевое напряжение, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).

Рис. 4. Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов

Устройства компенсации часто устанавливаются в производственных цехах, где работает много устройств на электроприводах. Потери электричества при этом довольно ощутимы, а качество тока сильно ухудшается. Конденсаторные установки успешно решают подобные проблемы.

Нужны ли устройства компенсации в быту?

На первый взгляд в домашней сети не должно быть больших реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают электрическая техника с резистивными нагрузками:

Коэффициенты мощности современной бытовой техники, такой как телевизор, компьютер и т.п. близки к 1. Ими можно пренебречь.

Но если речь идёт о холодильнике (P_f = 0,65), стиральной машине и микроволновой печи, то уже стоит задуматься об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, тогда установка устройства компенсации более чем желательна.

Экономический эффект от установки таких устройств ощутимо скажется на вашем семейном бюджете. Вы сможете экономить около 15% средств ежемесячно. Согласитесь, это не так уж мало, учитывая тарифы не электроэнергию.

Попутно вы решите следующие вопросы:

Для того чтобы ток и напряжение работали синфазно, устройства компенсации следует размещать как можно ближе к потребителям тока. Тогда реальная отдача индуктивных электроприёмников будет принимать максимальные значения.

Источник