Реактивная мощность

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 j, т. е. P=UIcosj.

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=UIsinj по своей структуре идентична формуле активной мощности Р=UIcosj. Мало того, в выражении полной мощности оба эти компонента равноценны. Однако физически Р и Q существенно различны, и сходство между ними формальное.

Рис. 2.1. Разложение вектора полного тока на активную и реактивную составляющие

Активная мощность является результатом перемножения периодических синусоидальных величин U и I_а=Icosj, совпадающих по фазе, а реактивная мощность - результатом такого же перемножения величин U и I_L=Isinj, сдвинутых по фазе на угол 90°(рис. 2.1).

В первом случае перемножаются величины одного знака и синусоида мгновенных значений мощности р расположена выше оси абсцисс (рис. 2.2, 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. 2.2, б).

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 цели однофазного синусоидального тока составят DР_а=(Isin(j)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 мощность 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. Дня этого генераторы рассчитывают на работу с коэффициентом мощности cos<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.

Рис. 2. 2. Графики мгновенных значений мощности р=ui при и 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 -)