О КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Что такое реактивная мощность и зачем ее компенсировать.
Что такое реактивная мощность
Принцип компенсации реактивной мощности
Как еще решают проблему компенсации реактивной мощности
Зачем компенсируют реактивную мощность.
Способы регулирования реактивной мощности.
С активной мощностью все понятно – это та часть энергии, которая идет на совершение полезной работы. Однако, если измерить общий ток на каком-либо предприятии и сравнить его с расчетным током активной мощности – они будут отличатся. Разница обусловлена наличием реактивной нагрузки в сети, которую представляют индуктивность (катушки трансформаторов, электродвигателей, дросселей, индукционных печей, сварочных аппаратов) и емкость (конденсаторы). Реактивная энергия необходима для создания электрических и электромагнитных полей. Мгновенная мощность индуктивной и емкостной нагрузки меняется в течении периода четыре раза (в два раза чаще чем ток и напряжение) два раза достигая минимума и максимума, но среднее значение мгновенной мощности равно нулю. Энергия циркулирует, меняются ток и напряжение, следовательно, можно посчитать величину данной энергии и выразить ее в виде используемой для данных преобразований реактивной мощности.
Таким образом, реактивная мощность – величина, которая характеризует энергию необходимую на создание электрических и электромагнитных полей, необходимых для работы электрооборудования.
Реактивную мощность принято обозначать - Q, размерность - [квар] киловольт ампер реактивный.
Геометрическая сумма активной и реактивной мощности – есть полная мощность электросети S [кВА] – киловольт ампер.
S2 [кВА]=P2[кВт]+Q2[квар]
Углол ϕ ( на рисунке показывает наклон вектора полной мощности по отношению к вектору активной) – есть угол, который показывает насколько сдвинуты между собой напряжение и ток. Для чисто активной нагрузки ϕ = 0°, для реактивной - 90°.
Параметр cos(ϕ) =P/S – косинус угла сдвига фаз, показывает какую долю занимает активная мощность в полной, но данная формула рассчитывается по значениям величин без учета корректировок, которые вносят гармонические искажения в сеть.
Гармонические искажения - характеристика кривой тока, поэтому не учитывать их влияние не корректно, особенно в сетях, в которых большую часть мощности регулируют частотные приводы или другие полупроводниковые приборы.
Для сети с гармониками формула мощностей принимает следующий вид:
S2 =P2+Q2 + D2 ,где D2- мощность, вносимая в сеть гармоническими искажениями.
Для определения соотношения активной и реактивной мощности в сети вводится параметр коэффициент мощности: PF (power factor) = P / S = P / √(P² + Q² + D²)
Таким образом видно: для сети с высоким уровнем гармонических искажений оценивать качество сети по значению cos(ϕ) ошибочно.
Таким образом, реактивная мощность – величина, которая характеризует энергию необходимую на создание электрических и электромагнитных полей, необходимых для работы электрооборудования.
Реактивную мощность принято обозначать - Q, размерность - [квар] киловольт ампер реактивный.
Геометрическая сумма активной и реактивной мощности – есть полная мощность электросети S [кВА] – киловольт ампер.
S2 [кВА]=P2[кВт]+Q2[квар]
Углол ϕ ( на рисунке показывает наклон вектора полной мощности по отношению к вектору активной) – есть угол, который показывает насколько сдвинуты между собой напряжение и ток. Для чисто активной нагрузки ϕ = 0°, для реактивной - 90°.
Параметр cos(ϕ) =P/S – косинус угла сдвига фаз, показывает какую долю занимает активная мощность в полной, но данная формула рассчитывается по значениям величин без учета корректировок, которые вносят гармонические искажения в сеть.
Гармонические искажения - характеристика кривой тока, поэтому не учитывать их влияние не корректно, особенно в сетях, в которых большую часть мощности регулируют частотные приводы или другие полупроводниковые приборы.
Для сети с гармониками формула мощностей принимает следующий вид:
S2 =P2+Q2 + D2 ,где D2- мощность, вносимая в сеть гармоническими искажениями.
Для определения соотношения активной и реактивной мощности в сети вводится параметр коэффициент мощности: PF (power factor) = P / S = P / √(P² + Q² + D²)
Таким образом видно: для сети с высоким уровнем гармонических искажений оценивать качество сети по значению cos(ϕ) ошибочно.
Индуктивный и емкостной токи сдвинуты по отношению к напряжению на угол ϕ, но индуктивный ток опережает напряжение, а емкостной отстает от него. Данные свойство индуктивности и емкости позволяет создать (сгенерировать) реактивную энергию непосредственно там, где она требуется, используя индуктивность для емкостной нагрузки и емкость для индуктивной нагрузки. Подавляющее большинство нагрузки в наших электросетях имеет активно-индуктивный характер, поэтому наиболее часто для компенсации реактивной мощности используют конденсаторы. Конденсаторы накапливают реактивную энергию в то время, когда электродвигатель отдает ее в сеть и отдают тогда, когда он ее потребляет, тем самым компенсируют потребность забирать реактивную энергию из сети. Данный процесс получил определение – компенсация реактивной мощности, а оборудование с помощью которого осуществляют компенсацию – устройства компенсации реактивной мощности или конденсаторные установки.
С развитием науки и техники на рынке появились устройства SVG (статические генераторы реактивной мощности). Принцип действия, данных устройств основан на математическом моделировании необходимых характеристик кривой тока и напряжения (широко-импульсная модуляция на основе IGBT транзисторов). Данный метод является наиболее эффективным, но имеет ряд недостатков которые не позволяют использовать его массово в промышленности, среди которых:
- стоимость усnройства SVG в несколько раз превышает стоимость конденсаторных установок;
- устройство SVG - сложное наукоемкое оборудование ремонт которого, в отличии от конденсаторных установок, является дорогостоящим и производится высококвалифицированными специалистами имеющими соответствующий опыт.
Регулирование реактивной мощностью по значению косинуса фи.
При этом методе используют контроллер - регулятор реактивной мощности, к зажимам которого подводятся цепи напряжения с двух фаз (стандартно "А" и "В") и токовые цепи с другой фазы (стандартно с "С"). По значению угла фи (показывает насколько ток опережает напряжение или запаздывает от него) контроллер рассчитывает разницу между реактивной мощностью, требуемой для достижения заданного значения и реактивной мощностью, потребляемой из сети и в зависимости от этого значения включает или отключает конденсаторную ступень.
На предприятиях, на которых присутствует нагрузка, которая характеризуется резкопеременным характером, режимами при которых наблюдается сдвиг фаз, наличием высокого уровня гармонических искажений (типичный пример буровые установки) способ регулирования по косинусу фи не работает. Причин несколько: это и влияние гармонических искажений, влияния угла сдвига фаз, переменная нагрузка на инструмент, разнонаправленная нагрузка в разный период времени.
Пример: асинхронный двигатель. При номинальной нагрузке косинус фи имеет одно значение. Но если нагрузка на валу уменьшится (двигатель работает вхолостую), активная составляющая тока падает, а реактивная (связанная с намагничивающим током) остаётся почти той же — отсюда и снижение косинуса фи. Добавим к этому гармонические искажения, которые так же влияют на косинус фи. Конденсаторная установка, работающая по логике регулирования по косинус фи, в таких условиях включит конденсаторную ступень, что приведет к росту и без того высокого напряжения и уже потом отключится по внутренним защитам от перенапряжения.
Регулирование реактивной мощностью по зависимости мощности от напряжения (по напряжению).
Наша компания разработала и применяет регулирование реактивной мощностью по принципу зависимости реактивной мощности от напряжения.
Преимущество данного метода заключается в том, что система регулирования не ждет когда в электросети нагрузки будут соблюдены все условия для изменения косинуса, а коммутирует ступени сразу же после того, как изменяется напряжение в электросети. Напряжение в электросети меняется медленнее чем косинус, что обуславливает применение метода регулирования реактивной мощности по напряжению в сетях с резкопеременной нагрузкой.
При этом методе используют контроллер - регулятор реактивной мощности, к зажимам которого подводятся цепи напряжения с двух фаз (стандартно "А" и "В") и токовые цепи с другой фазы (стандартно с "С"). По значению угла фи (показывает насколько ток опережает напряжение или запаздывает от него) контроллер рассчитывает разницу между реактивной мощностью, требуемой для достижения заданного значения и реактивной мощностью, потребляемой из сети и в зависимости от этого значения включает или отключает конденсаторную ступень.
На предприятиях, на которых присутствует нагрузка, которая характеризуется резкопеременным характером, режимами при которых наблюдается сдвиг фаз, наличием высокого уровня гармонических искажений (типичный пример буровые установки) способ регулирования по косинусу фи не работает. Причин несколько: это и влияние гармонических искажений, влияния угла сдвига фаз, переменная нагрузка на инструмент, разнонаправленная нагрузка в разный период времени.
Пример: асинхронный двигатель. При номинальной нагрузке косинус фи имеет одно значение. Но если нагрузка на валу уменьшится (двигатель работает вхолостую), активная составляющая тока падает, а реактивная (связанная с намагничивающим током) остаётся почти той же — отсюда и снижение косинуса фи. Добавим к этому гармонические искажения, которые так же влияют на косинус фи. Конденсаторная установка, работающая по логике регулирования по косинус фи, в таких условиях включит конденсаторную ступень, что приведет к росту и без того высокого напряжения и уже потом отключится по внутренним защитам от перенапряжения.
Регулирование реактивной мощностью по зависимости мощности от напряжения (по напряжению).
Наша компания разработала и применяет регулирование реактивной мощностью по принципу зависимости реактивной мощности от напряжения.
Преимущество данного метода заключается в том, что система регулирования не ждет когда в электросети нагрузки будут соблюдены все условия для изменения косинуса, а коммутирует ступени сразу же после того, как изменяется напряжение в электросети. Напряжение в электросети меняется медленнее чем косинус, что обуславливает применение метода регулирования реактивной мощности по напряжению в сетях с резкопеременной нагрузкой.
В том случае, если на предприятии отсутствует компенсация реактивной мощности, предприятие потребляет ее из сети энергоснабжающей компании. Перетоки реактивной мощности загружают кабельные линии, трансформаторы, все коммутационное оборудование, при этом имеют место быть следующие негативные факторы:
- низкое напряжение;
- потери активной и реактивной электроэнергии в электросети;
- увеличенное сопротивление, сниженная пропускная способность линии электропередач,
- пониженное напряжение в электросети предприятия;
- низкая надежность системы электроснабжения;
- высокая вероятность возникновения аварийных ситуаций;
- ускоренное старение изоляции электрооборудования в следствии перегрева.
Компенсация реактивной мощности позволяет:
- поднять напряжение электросети;
- снизить ток в электросети предприятия,
- подключить дополнительное оборудование,
- снизить потери активной и реактивной мощности в электросети.
В некоторых электросетях соотношение активной и реактивной мощности 1:1, поэтому мероприятия по компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник вне всякого сомнения являются мероприятиями по повышению энергоэффективности в электрических сетях.
- низкое напряжение;
- потери активной и реактивной электроэнергии в электросети;
- увеличенное сопротивление, сниженная пропускная способность линии электропередач,
- пониженное напряжение в электросети предприятия;
- низкая надежность системы электроснабжения;
- высокая вероятность возникновения аварийных ситуаций;
- ускоренное старение изоляции электрооборудования в следствии перегрева.
Компенсация реактивной мощности позволяет:
- поднять напряжение электросети;
- снизить ток в электросети предприятия,
- подключить дополнительное оборудование,
- снизить потери активной и реактивной мощности в электросети.
В некоторых электросетях соотношение активной и реактивной мощности 1:1, поэтому мероприятия по компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник вне всякого сомнения являются мероприятиями по повышению энергоэффективности в электрических сетях.
Проблемы, связанные с дефицитом и профицитом активной и реактивной мощности в энергосистеме.
Энергетическая система работает стабильно, когда соблюдается баланс генерируемой и потребляемой активной и реактивной мощности.
Генерация активной мощности сверх потребляемой приводит к повышению частоты тока в энергосистеме, недостаток активной мощности – наоборот к понижению частоты тока. Повышенная частота тока провоцирует появление асинхронного хода генератора, затем разрушение ротора турбины, генератора и разрушение вспомогательного оборудования. Пониженная частота тока влияет негативно как на энергосистему в целом являясь первопричиной аварийных ситуаций, и в тяжелом случае приводит к лавине частоты. Лавина частоты возникает при дефеците активной мощности в сети, когда частота сети слишком низка для нормальной работы оборудования потребителей и оборудования собственных нужд электростанций. В то время, когда частота сети достигает уровня, при котором не могут нормально работать питательные насосы котлов, снабжающих турбину генератора топливом, происходит останов агрегата, что еще больше снижает частоту сети. Далее происходит авария, связанная с лавинообразным отключением энергообъектов.
В свою очередь генерация реактивной мощности сверх потребляемой приводит к увеличению напряжения, недостаток реактивной мощности – наоборот к пониженному напряжению. Так же, как и в случае с лавиной частоты, нарастающий дефицит реактивной мощности в энергосистеме приводит к ситуации которую принято назвать лавина напряжения.
Лавина частоты и лавина напряжения практически всегда вызывают тяжелую многочасовую энергетическую аварию на большой территории. Восстановление работы электростанций требует подачи на каждую из них электроэнергии извне для приведения в действие технологического оборудования. Только после пуска котлов и турбин электростанции могут быть включены в работу.
Генерация активной мощности сверх потребляемой приводит к повышению частоты тока в энергосистеме, недостаток активной мощности – наоборот к понижению частоты тока. Повышенная частота тока провоцирует появление асинхронного хода генератора, затем разрушение ротора турбины, генератора и разрушение вспомогательного оборудования. Пониженная частота тока влияет негативно как на энергосистему в целом являясь первопричиной аварийных ситуаций, и в тяжелом случае приводит к лавине частоты. Лавина частоты возникает при дефеците активной мощности в сети, когда частота сети слишком низка для нормальной работы оборудования потребителей и оборудования собственных нужд электростанций. В то время, когда частота сети достигает уровня, при котором не могут нормально работать питательные насосы котлов, снабжающих турбину генератора топливом, происходит останов агрегата, что еще больше снижает частоту сети. Далее происходит авария, связанная с лавинообразным отключением энергообъектов.
В свою очередь генерация реактивной мощности сверх потребляемой приводит к увеличению напряжения, недостаток реактивной мощности – наоборот к пониженному напряжению. Так же, как и в случае с лавиной частоты, нарастающий дефицит реактивной мощности в энергосистеме приводит к ситуации которую принято назвать лавина напряжения.
Лавина частоты и лавина напряжения практически всегда вызывают тяжелую многочасовую энергетическую аварию на большой территории. Восстановление работы электростанций требует подачи на каждую из них электроэнергии извне для приведения в действие технологического оборудования. Только после пуска котлов и турбин электростанции могут быть включены в работу.
