Розрахунок і компенсація реактивної потужності

В приватному будинку або квартирі, як правило, встановлений один лічильник електроенергії, за яким проводиться розрахунок оплати за спожиту енергію. Спрощено передбачається, що в побуті використовується тільки її активна складова, хоча це не зовсім і не завжди так. Наші оселі насичені электроустройствами, в схемах яких присутні елементи, які рухають фазу. Однак реактивна потужність, яку споживають побутові прилади, незрівнянно менше, ніж у промислових підприємств, тому при розрахунку оплати нею традиційно нехтують. Завод або фабрика, керівництво яких не стежить за витратою паразитних струмів, що проходять по ланцюгу навантаження, завдає великої шкоди енергосистем регіону і країни в цілому. Абсолютно марно нагрівається атмосферне повітря навколо ЛЕП; обмотки трансформаторів, встановлених у підстанціях, можуть не витримувати навантаження, особливо в пікові періоди.

Якщо взяти звичний нагрівальний прилад (праска, фен, бойлер тощо) або електричну лампочку, то потужність, зазначена у відповідній написи на колбі або етикетці, буде відповідати добутку величин струму, що проходить через цей пристрій, і напруги мережі (у нас це 220-230 Вольт). Ситуація змінюється, якщо прилад містить трансформатор, інші елементи, що містять котушки індуктивності, або конденсатори. Ці деталі і компоненти володіють особливими властивостями, графік протікає в них струму відстає або випереджає синусоїду живлячої напруги - іншими словами, відбувається зсув фази. Ідеальна ємнісна навантаження зміщує вектор на -90, а індуктивна - на +90 градусів. Потужність у цьому випадку стає результатом не тільки твори струму на напругу, додається якийсь поправочний коефіцієнт. До чого це призводить?

Ще з шкільного курсу геометрії багато хто пам'ятає, що гіпотенуза довше будь-якого з катетів в прямокутному трикутнику. Якщо активна, реактивна і повна потужність утворюють його боку, то струми, споживані котушкою і ємністю, будуть перебувати під прямим кутом до резистивної складової, але з напрямками в протилежні сторони. При додаванні (або, якщо завгодно, відніманні, вони разнознаковые) величин сумарний вектор, тобто повна реактивна потужність, залежно від того, який характер навантаження переважає в схемі, буде направлений вгору або вниз. За його спрямуванням можна судити, який характер навантаження переважає.

Реактивна потужність при векторному складання з активної складової дасть повну величину споживаної потужності. На графіку вона представляється як гіпотенуза трикутника потужності. Чим більше ця лінія буде полого розташовуватися по відношенню до осі абсцис, тим, безсумнівно, краще.

Q – реактивна потужність, Р – активна потужність, S – повна потужність
На графіку видно, що кут φ утворюють два вектори, вектор повної і вектор активної потужності. Чим більше їх величини збігаються, тим краще, але повного їх злиття заважає реактивна потужність, що вважається паразитної. Чим більше кут, тим вище навантаження на лінії електропередач, що підвищують і знижувальні трансформатори системи енергопостачання, і навпаки, чим ближче вектора нахилені один до одного, тим менше будуть грітися проводу на всьому протязі ланцюга. Природно, що цю проблему потрібно було вирішувати. І рішення знайшлося, одночасно просте і витончене. Взаємна компенсація реактивної потужності дозволяє зменшити кут φ і максимально наблизити його косинус (який також називають коефіцієнтом потужності) до одиниці. Для цього слід подовжити вектор ємнісної складової так, щоб добитися резонансу струмів, при якому вони «погасять» один одного (в ідеалі повністю, а на практиці - найбільшим чином).

Всі теоретичні міркування мають тим більшу цінність, ніж применимее вони на практиці. Картина на будь-якому розвиненому промисловому підприємстві наступна: велика частина електроенергії споживається двигунами (синхронні, асинхронні, однофазними, трифазними) та іншими машинами. Адже є ще і трансформатори. З цього випливає висновок: в реальних виробничих умовах переважає реактивна потужність індуктивного характеру. Слід зазначити, що на підприємствах встановлюють не один електролічильник, як в будинках і квартирах, а два, один з яких активний, а інший - нескладно здогадатися реактивний. (Хоча, сучасні електронні трифазні електролічильники вміють рахувати обидві складові електроенергії, напр., лічильник електроенергії Енергоміра СЕ302 або електролічильник Меркурій 230AR). І за перевитрату марно «гоняемой» по лініях електропередач енергії відповідні органи нещадно штрафують, так що керівники підприємства кровно зацікавлені в тому, щоб зробити розрахунок реактивної потужності і прийняти заходи до її зниження. Ясно, що без електричної ємності при вирішенні цієї задачі не обійтися.

З представленого графіка цілком ясно, як домогтися зменшення паразитних струмів аж до повного їх усунення, принаймні, теоретично. Для цього слід паралельно з індуктивним навантаженням включити конденсатор відповідної величини ємності. Вектори при складанні дадуть нуль, і залишиться тільки корисна активна складова. Розрахунок проводиться за формулою:

• C = 1 / (2πFX), де X – повне реактивне опір всіх включених в мережу пристроїв; F – частота напруги живлення (у нас – 50 Hz);

Начебто б - чого простіше? Перемножити «X» і число «пі» на 50 та поділити. Проте, все не так просто!

А як на практиці? А на практиці визначити і розрахувати параметр X не так-то просто. Для цього потрібно взяти всі дані про пристрої, дізнатися їх реактивний опір, причому у векторному вигляді, і вже тоді... У реальності, звичайно, ніхто цим не займається, крім студентів на лабораторних роботах. Визначити реактивну потужність можна й інакше - за допомогою спеціального приладу - фазометра, що вказує косинус фі, або порівнявши показання ватметра, амперметра і вольтметра. Справа ускладнюється тим, що в умовах реального виробничого процесу величина навантаження постійно змінюється, так як одні машини в процесі роботи включаються, інші, навпаки, відключаються від мережі, як того потребує технологічний регламент. Відповідно, необхідні постійні заходи з відстеження ситуації. Під час нічних змін працює освітлення, взимку в цехах може здійснюватися нагрівання повітря, а влітку - його охолодження. Так чи інакше, але компенсація реактивної потужності здійснюється на основі теоретичних розрахунків з великою часткою практичних вимірів cos φ.

Цю проблему вирішує компенсація реактивної потужності, яка знижує кут φ, і наближає коефіцієнт потужності до одиниці. Для забезпечення такої компенсації необхідно збільшити вектор реактивної потужності настільки, щоб з'явився резонанс струмів, при якому частка реактивної потужності значно знизиться. Простим способом рішення цієї задачі є підключення конденсаторів необхідної ємності в автоматичному режимі.

Сьогодні існують системи, які утримують коефіцієнт потужності в межах 0,9-1.Так як підключення конденсаторів в них відбувається дискретно, ідеального результату досягти неможливо, але економічний ефект автоматичний компенсатор реактивної потужності все одно дає дуже хороший. В основі роботи цього приладу лежать інтелектуальні алгоритми, що забезпечують роботу відразу після включення, найчастіше навіть без додаткових налаштувань. Технологічні досягнення в галузі обчислювальної техніки дозволяють домагатися рівномірного підключення всіх ступенів конденсаторних батарей для того, щоб уникнути передчасного виходу з ладу однієї або двох з них. Час спрацьовування також мінімізовано, а додаткові дроселі знижують величину перепаду напруги під час перехідних процесів. Сучасний щит керування живленням підприємства має відповідної ергономічної компоновкою, яка створює умови для швидкої оцінки оператором ситуації, а в разі аварії або виходу з ладу він отримає негайний тривожний сигнал. Ціна такого шафи чимала, але заплатити за нього коштує, користь він приносить.

Звичайний компенсатор реактивної потужності являє собою металевий шафа стандартних розмірів з панеллю контролю і управління на лицьовій панелі, зазвичай відкривається. У нижній частині розташовуються набори конденсаторів (батареї). Таке розташування обумовлено простим міркуванням: електричні ємності досить важкі, і цілком логічно прагнення зробити конструкцію більш стійкою. У верхній частині, на рівні очей оператора, знаходяться необхідні контрольні прилади, в тому числі і фазоуказатель, за допомогою якого можна судити про величину коефіцієнта потужності. Є також різна індикація, в тому числі і аварійна, органи управління (включення і виключення, переходу на ручний режим та ін.). Оцінку порівняння показань вимірювальних датчиків і вироблення керуючих впливів (підключення конденсаторів потрібного номіналу) виконує схема, основою якої служить мікропроцесор. Виконавчі пристрої працюють швидко і безшумно, вони, як правило, побудовані на потужних тиристорах.
На відносно невеликих підприємствах реактивна потужність ланцюга може оцінюватися приблизно за кількістю підключених пристроїв з урахуванням їх фазозсувних характеристик. Так, звичайний асинхронний електродвигун (головний «роботяга» фабрик і заводів) при навантаженні, дорівнює половині його номінальної потужності, має cos φ, рівним 0,73, а люмінесцентний світильник – 0,5. Параметр контактного зварювального апарату коливається у межах від 0,8 до 0,9, дугова піч працює з косинусом φ, рівним 0,8. Таблиці, наявні в розпорядженні практично кожного головного енергетика, містять відомості про практично всіх видах промислового устаткування, і попередня установка компенсації реактивної потужності може здійснюватися за допомогою них. Проте такі дані слугують лише базою, на підставі якої необхідно вносити корективи, додаючи або відключаючи конденсаторні батареї.

Може скластися враження про те, що всю турботу про параметри електромереж та рівномірності навантаження на неї держава поклала на фабрики, заводи та інші промислові підприємства. Це не так. Енергосистема країни контролює зсув фаз в загальнодержавному і регіональному масштабі, прямо на виході свого особливого товару з електростанцій. Інше питання в тому, що компенсація реактивної складової здійснюється не підключенням конденсаторних батарей, а іншим методом. Для забезпечення якості відпускається споживачам енергії в роторних обмотках регулюється струм підмагнічування, що в синхронних генераторах не становить великої проблеми.

Про основні навантаженнях, які споживають реактивну потужність, ми детально зупинилися в попередній статті.