3.3. Компенсирующие устройства

3.3.1. 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 φ, т.е. Р = Uicosφ.

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, ли­36им и др.

Формула реактивной мощности Q = Uisinφ по своей структуре идентич­на формуле активной мощности Р =Uicosφ. Мало того, в выражении полной мощности оба эти компонента равноценны. Однако физически Р и Q существенно различ­ны, и сходство между ними формаль­36им.

Активная мощность является ре­зультатом перемножения периодичес­ких синусоидальных величин U и Ia=Icosφ , совпадающих по фазе, а ре­активная мощность — результатом та­кого же перемножения величин U и IL=Isinφ, сдвинутых по фазе на угол 90° (рис. 2.1).

U

Рис.3.21. Разложение вектора полного тока на активную и реактивную составляющие

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 цепи однофазного синусоидального тока составят ΔР_а == (Isinφ)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. Для этого генераторы рассчитывают на работу с коэффициентом мощности соs φ < 1,

Рис. 3.22. 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 —)

что позволяет им выдавать в сеть значительную реактивную мощ­ность и обеспечивать ее регулирование.

Получение реактивной мощности связано исключительно с уровнем воз­буждения синхронной машины (генератора, СК). Увели­чение тока возбуждения приводит к увеличению генерирования реактивной мощности (при этом топливо допол­нительно не расходуется). Снижение то­38и возбуждения приводит к противо­положному результату.

Передача реактивной мощности по­требителям от генераторов электростан­ций сопряжена с потерями энергии в линиях электропередачи, трансформато­рах и распределительных сетях. Поэто­му считается выгодным снижение реак­тивной мощности, получаемой от элек­тростанций, и выработка ее вблизи потребителей. Это позволяет уменьшить потери энергии и напряжения в сетях, увеличить пропускную способность ли­ний электропередачи и одновременно повысить уровни напряжений на ши­нах приемных подстанций. Таким об­разом, синхронные компенсаторы явля­ются экономичным регулируемым ис­точником реактивной мощности в электрических система

Помимо синхронных компенсаторов 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.