25. Графики активной и реактивной мощности. Перетоки реактивной мощности и их последствия.

На рис. 1а изображена электрическая цепь с параллельным соединением активного сопротивления R, индуктивности L и емкости С (показана пунктиром). Ко входным зажимам цепи приложено синусоидальное напряжение

В ветвях цепи проходят токи

активный

индуктивный

(индуктивный ток отстает по фазе от напряжения на 90°). Графики токов и напряжений показаны на рис. 1б. На первой стадии анализа ток в емкости не учитываем (считаем, что она отключена).

Произведение мгновенных значений напряжения и и тока i в элементе цепи называют мгновенной мощностью этого элемента.

Для активного сопротивления

График мгновенной мощности, выделяемой на R, приведен на рис. 1.14, в.

Среднее за период значение p_R называют активной мощностью и обозначают буквой Р.

Из рис. 1 видно, что значение Р не равно нулю. Это говорит о том, что энергия, потребляемая активным сопротивлением, преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую и др.) и уходит из электрической цепи. Физический смысл активной мощности — электрическая энергия, потребленная активным сопротивлением электрической цепи за 1 секунду.

Мгновенная мощность в индуктивности равна

График мгновенной мощности в индуктивности приведен на рис. 1г. Как видно из рис. 1г, p_L изменяется с двойной частотой по сравнению с током и напряжением.

Среднее за период значение мощности в индуктивности равно нулю, т. е.

Это означает, что потребляемая индуктивностью энергия не преобразуется в другие виды энергии, т. е. не уходит из электрической цепи. Этой энергией обмениваются между собой элементы цепи. В частности, в рассматриваемой цепи (при отсутствии емкости) этой энергией обмениваются источник питания и индуктивность.

Условная величина, равная произведению действующих значений приложенного к индуктивности напряжения и тока в ней, называется реактивной мощностью Q_L, потребляемой индуктивностью. Ее измеряют в вар (вольт—ампер реактивный), квар, Мвар.

Чтобы избежать потерь активной мощности и электрической энергии в электрических цепях, обусловленных током в индуктивности, в системах электроснабжения с индуктивными элементами, например, асинхронными электродвигателями, устанавливают батареи статических конденсаторов (БСК). При этом полностью или частично компенсируются токи, подводимые от источника питания к индуктивным элементам цепи.

Механизм влияния конденсатора на обмен мощностями в цепи заключается в следующем. Пусть к цепи, изображенной на рис. 1а, подключен конденсатор С. Ток в емкости равен

где I_cm — амплитуда тока в емкости. Ток в емкости опережает приложенное напряжение на 90°. Мгновенная мощность в емкости равна

График мгновенной мощности в емкости приведен на рис. 1д. Из него видно, что

- мгновенная мощность р_с изменяется с двойной частотой по отношению к кривым тока и напряжения;

- среднее за период значение р_с равно нулю, т. е., как и в индуктивности, энергия, запасенная в емкости, не преобразуется в другие виды энергии (не уходит из электрической цепи);

- емкость запасает энергию в те моменты времени, когда индуктивность ее отдает. Это означает, что емкость и индуктивность могут обмениваться энергией. В связи с этим отпадает необходимость в обмене энергией Q_L между источником питания и индуктивностью, а можно обеспечить более короткий путь обмена этой энергией путем подключения конденсатора возможно ближе к индуктивности. В случае электрического резонанса (для рис. 1а X_L = Х_с) реактивные токи циркулируют в контуре L—С и не проходят через источник питания, т. е. нет дополнительных потерь электрической энергии в цепи между источником питания и индуктивностью от прохождения реактивного тока.

Рис. 1. К понятиям активной и реактивной мощностей

По аналогии с реактивной мощностью Q_L используют условное понятие реактивной мощности Q_c = U · 1_с, генерируемой емкостью. Условно принято считать индуктивности потребителями реактивной энергии, а емкости — ее источниками, т. е. Q_c считают положительной, a Q_L — отрицательной. Возможность обмена энергией между индуктивными (асинхронные двигатели, силовые трансформаторы) и емкостными (батареи статических конденсаторов, сокращенно БСК) элементами лежит в основе идеи компенсации реактивной мощности в электрических сетях.

При отсутствии БСК (рис. 2) в токе нагрузки можно выделить активную I_а и реактивную I_р составляющие. В системе передачи электроэнергии имеют место дополнительные потери АР и AW, обусловленные током I_р. Потери мощности, обусловленные реактивным током I_р, создаются в генераторе G, трансформаторах Т1, Т2, ТЗ и линиях W1, W2.

Если к шинам подстанции с трансформатором ТЗ подключить БСК (показана пунктиром), то при условии I_L = I_c будет происходить обмен энергией между БСК и М. В системе передачи энергии, кроме стороны 0,4 кВ подстанции, 1_р = 0, т. е. нет потерь АР и AW от реактивной составляющей тока в линиях W1, W2 и трансформаторах Т1, Т2, ТЗ. Если равенство I_L = I_c не выполняется, то источник питает приемник реактивным током i_p = i_L - i_c.

Необходимость введения понятия реактивной мощности обусловлена тем, что при прохождении реактивного тока по проводам линий электропередачи, обмоткам трансформаторов и др. имеют место потери активной мощности и энергии. Показатель tgφ = | Q_L - Q_c |/P является характеристикой цепи, показывающей, какую часть от потерь активной мощности в цепи, обусловленных прохождением активного тока, составляют потери, вызванные прохождением реактивного тока. Эта величина называется коэффициентом реактивной мощности.

Рис. 2. Компенсация реактивной мощности