В третью четверть периода емкость будет заряжаться от источника противоположной полярностью (по сравнению с тем что было в первую четверть периода). В четвертую четверть периода емкость снова вернет энергию электрического поля обратно в сеть. В течение следующего периода данный цикл повторится. Так ведет себя чисто емкостная нагрузка в цепи синусоидального переменного тока.

Практически получается, что при емкостной нагрузке ток опережает по фазе на четверть периода переменное напряжение, приложенное к данной нагрузке, потому что когда емкость заряжается, ток оказывается максимальным уже в первый момент, когда приложенное напряжение источника только начинает нарастать, энергия тока преобразуется в энергию увеличивающегося электрического поля накапливаемого в нагрузке заряда, как в конденсаторе.

Но с ростом приложенного напряжения, емкость уже имеет достаточно много накопленного заряда, поэтому с приближением напряжения источника к своему максимуму, скорость накопления заряда в емкостной нагрузке становится меньше, и потребляемый ток при этом уменьшается вплоть до нуля.

Примеры емкостных нагрузок: конденсаторные батареи, корректоры коэффициента мощности, синхронные двигатели, ЛЭП сверхвысокого напряжения.

Индуктивная нагрузка

Если теперь обратить внимание на индуктивную нагрузку, то она ведет себя в цепи переменного тока подобно катушке индуктивности.

Это значит, что синусоидальное переменное напряжение будет периодически (с удвоенной частотой источника) порождать ток через индуктивность нагрузки, при этом в первую четверть периода энергия источника будет расходоваться на создание магнитного поля тока через катушку.

Во вторую четверть периода энергия магнитного поля катушки будет возвращаться к источнику. В третью четверть периода катушка будет намагничиваться противоположной полярностью (по сравнению с тем что было в первую четверть периода), и в четвертую четверть периода индуктивность снова вернет энергию магнитного поля обратно в сеть.

В течение следующего периода данный цикл повторится. Так ведет себя чисто индуктивная нагрузка в цепи синусоидального переменного тока.

На деле получается, что при индуктивной нагрузке ток отстает по фазе на четверть периода от переменного напряжения, приложенного к данной нагрузке, потому что когда индуктивность начинает намагничивается, в первый момент времени ток через нее оказывается минимальным, хотя приложенное напряжение источника и находится уже в максимальной точке.

Энергия источника преобразуется здесь в энергию увеличивающегося магнитного поля тока, протекающего через индуктивность нагрузки. При уменьшении напряжения, ток через индуктивность уже имеет достаточно большую величину, поэтому с приближением напряжения источника к своему минимуму, скорость роста тока в индуктивной нагрузке замедляется, но сам ток в индуктивности при этом максимален.

Примеры индуктивных нагрузок: асинхронные двигатели, электромагниты, дроссели, реакторы, трансформаторы, выпрямители, тиристорные преобразователи.

Источник

Что такое индуктивная и ёмкостная нагрузка

Если бы вся нагрузка была резистивной (нагреватели, лампы накаливания и прочее), то весь ток, протекающий в электросети, совершал какую-то полезную работу. На практике это не так —многие потребители электрической энергии имеют индуктивный, а реже и ёмкостный характер. Это приводит к повышению нагрузки на сеть из-за реактивной мощности. О том что это такое и откуда берётся и пойдет речь в статье.

Активная и реактивная мощность

Если вся электрическая энергия, которую потребляет какой-либо прибор, преобразуется в другие виды энергии и совершает какую-либо работу, то мощность, потребляемая этим прибором, называется активной. Такой характер потребления у простых приборов, таких как резисторы, ТЭНы и нагревательные спирали, лампы накаливания. Обобщенно они называются активной нагрузкой, а энергия, которая к ним поступает рассеивается в виде тепла, света (и не только). Именно её учитывают потребительские электросчетчики в домах и квартирах, и именно за неё мы платим.

Если же в процессе работы через нагрузку протекает ток и на ней падает какое-то напряжение, но при этом она не рассеивает мощность, не преобразовывает электрическую энергию в другие её виды и не совершает никакой работы, то эта «не израсходованная» мощность называется реактивной. Примером чистой реактивной нагрузки могут служить катушки индуктивности и конденсаторы. Так реактивная нагрузка делится на два типа — индуктивная и ёмкостная. Потребление такой мощности приводит только к потерям на нагрев проводов от источника к потребителю и не передается в нагрузку.

Если же нагрузка рассеивает или преобразовывает лишь часть электрической энергии, а часть возвращает в сеть, то её называют смешанной. Большая часть реальных потребителей имеют смешанный характер — активно-индуктивный или активно-ёмкостный.

Полной мощностью называется сумма активной и реактивной мощностей.

ВАЖНО! Индуктивная и ёмкостная нагрузка приводит к возникновению реактивной энергии только в цепях переменного тока. Всё сказанное в этой статье справедливой для цепей переменного синусоидального тока, то есть для всех электросетей.

В цепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует, а мгновенные и средние значения мощности за определённый период времени всегда совпадают. В цепи переменного тока такое бывает только с лампами накаливания, нагревателями и другими чисто активными потребителями.

Индуктивная и ёмкостная нагрузка

Основная часть потребителей электрической энергии — это активно-индуктивная нагрузка, к ней относятся электродвигатели, реле и контакторы, различные соленоиды.

Индуктивная нагрузка — это такая нагрузка ток, в которой отстаёт от напряжения на четверть периода. В индуктивности энергия источника преобразуется в энергию магнитного поля. Рассмотрим подробнее процесс протекания тока в индуктивности.

На графике изображён один период, разделенный на четыре части, конец каждой четверти пронумерован цифрами от 1 до 4. На нём четко видно, что напряжение опережает ток на четверть периода или на 90 градусов. Разберем каждую из четвертей периода:

В течение следующего периода цикл повторится. Так ведет себя чисто индуктивная нагрузка в цепи синусоидального переменного тока. То же самое можно проиллюстрировать с помощью векторной диаграммы

В реальности напряжение не будет опережать ток на 90 градусов. Так происходит только в идеальной индуктивности, у реальной катушки будет активное сопротивление, часть электрической энергии преобразуется и выделится на обмотке в виде тепла.

Ёмкостная нагрузка — это такая нагрузка ток, в которой опережает напряжение на четверть периода. Примеры ёмкостной нагрузки: длинные кабельные линии, ЛЭП высокого напряжения, конденсаторные батареи (компенсаторы реактивной мощности), синхронные двигатели.

Последние хоть и, как и все двигатели, представляют собой катушки индуктивности, но из-за особенностей процессов протекающих в них в режиме с повышенным током возбуждения ведут себя как ёмкостная нагрузка. Мы затрагивали этот вопрос в публикации ранее, что вызвало бурные обсуждения в комментариях.

Рассмотрим график напряжения и тока в цепи с ёмкостью.

Он, как и в предыдущем примере период разделен на 4 четверти:

Отобразим это в векторной диаграмме:

Как вы можете видеть, на векторной диаграмме вектор напряжения направлен «вниз», тогда как диаграмме с индуктивной нагрузкой его рисовали «вверх», так графически обозначается куда сдвинута одна величина относительно другой.

Как отмечалось выше, у реальных приборов редко бывает только индуктивный или ёмкостный характер, обычно они активно-индуктивные или активно-емкостные. У любого компонента электрической цепи будут и ёмкостные, и индуктивные составляющие в каком-либо соотношении, но это тема для отдельной статьи, если вам интересно — пишите об этом в комментариях и мы обязательно напишем её. Поэтому у того же двигателя, например, ток от напряжения будет отставать не на 90 градусов, а меньше, к тому же соотношение активной и реактивной мощности у них изменяется в зависимости от нагрузки.

Как используется на практике

Если бы вся нагрузка была активной, то у потребителя коэффициент мощности был равен единице. В реальности наличие реактивных составляющих снижает коэффициент мощности.

Коэффициент мощности — это отношение активной энергии к полной. Чем он ближе к единице, тем больше активной и меньше реактивной мощности потребляется.

Зачастую самые многочисленные потребители электрической энергии — это электродвигатели, поэтому у реактивной мощности индуктивный характер. Производства оплачивают не только потребляемую активную мощность, но и реактивную, чтобы снизить расходы на оплату электроэнергии и нагрузку на сеть нужно компенсировать реактивную мощность, другими словами, повысить коэффициент мощности.

Как мы уже знаем, индуктивная нагрузка приводит к тому, что ток отстает от напряжения, а у ёмкостной нагрузки, наоборот, ток опережает напряжение. Это явление используют для компенсации реактивной мощности, а такие устройства называют компенсаторами реактивной мощности (УКРМ), в простейшем виде представляют собой нерегулируемые конденсаторные батареи, которые подключаются к питающему предприятие трансформатору или шинам РУ.

Для компенсации реактивной мощности конкретного двигателя просто подключают конденсаторы и устанавливают их рядом с этим двигателем.

Всё то же самое только проще и короче

Проведем некую аналогию, для большего понимания того, что такое индуктивная и ёмкостная нагрузка.

Представьте пружину, вы нажимаете на неё пальцем, та сопротивляется сжатию, но когда палец начнете плавно поднимать вверх, то пружина толкает его, помогая движению. А если резко отпустите пружину — то она расправится и подпрыгнет.

Это аналогия для катушки индуктивности, она сначала сопротивляется электрическому току, а когда тот уменьшается стремиться поддерживать его протекание в том же направлении. При резком размыкании цепи напряжение на выводах катушки будет повышаться до тех пор, пока энергия, накопленная в катушке, не рассеется на чем-либо, например, пробивает воздушный промежуток между контактами и возникает дуга при отключении цепи.

В цепи переменного и постоянного тока катушки ведут себя похоже. Но так как переменный ток циклично изменяется по величине и полярности, то катушки препятствуют его изменению, возникает сдвиг фазы и реактивное сопротивление (подробно о реактивном сопротивлении вы можете почитать вот здесь).

В цепи постоянного тока индуктивность препятствуя изменению тока сглаживает его пульсации. Например, при подаче напряжение она замедляет его возрастание.

Теперь возьмем пустую ёмкость, в которую можно набрать воду, отверстие через которое поступает вода будет перекрываться поплавковым клапаном (как на бочке унитаза). Сначала набор воды будет максимальным, и по мере наполнения ёмкости, уровень воды будет подниматься, поднимая и поплавок. Поплавок будет плавно перекрывать отверстие, откуда поступает вода и напор воды будет уменьшаться пока отверстие полностью не перекроет.

После того как ёмкость наполнена, мы можем перекрыть провод, а вода из неё никуда не уйдет. При этом мы можем использовать её в каких-либо целях.

Это аналогия для конденсатора (ёмкости), при подключении к источнику постоянного тока он быстро заряжается, и в первый момент времени, если ток ничем не ограничен, то его сила будет очень большой. Разряженный конденсатор представляет собой эквивалент короткозамкнутого участка цепи. По мере заряда ток будет снижаться, на обкладках конденсатора накопятся заряды, которые будут удерживаться энергией электрического поля. После отключения от источника заряд с обкладок никуда не денется, и если конденсатор стоял параллельно какой-то нагрузке, то после отключения питания он её продолжит питать какое-то время (которое зависит от сопротивления нагрузки и ёмкости конденсатора).

Однако если конденсатор стоит последовательно с какой-то нагрузкой или вообще единственный элемент в цепи постоянного тока, то, когда он зарядится полностью – в цепи перестанет протекать ток. В цепи переменного тока конденсатор представляет пропускает ток так, как циклично перезаряжается из одной полярности в другую, при этом из-за описанных выше явлений происходит сдвиг фазы тока на 90 градусов в сторону опережения напряжения, а также препятствует протеканию тока из-за своего реактивного сопротивления.

Источник

Резистивная и индуктивная нагрузка что это

Какие типы электрических потребителей бывают? Активная и реактивная нагрузка, активно-индуктивная и активно-емкостная, в чем различия?

В повседневной жизни и общениях с клиентами интернет-магазина Электрокапризам-НЕТ! мы выясняем множество технических вопросов и максимально точно подбираем оборудование под инженерные задачи. Имея большой опыт работ и выбора технических решений специалистами компании НТС-ГРУПП (ТМ Электрокапризам-НЕТ!) была собрана масса полезной информации, которую мы попытались структурировать и в сжатом виде донести нашим клиентам путем публикации на сайте. Ниже приведена своеобразная классификация типа нагрузок с небольшими комментариями, а в следующей статье будут описаны особенности выбора мощности, запаса мощности и варианты использования источников бесперебойного питания, стабилизаторов напряжения и электрогенераторов в сетях с несбалансированным распределением потребителей, с различными видами активной и реактивной нагрузкок и др.

Применительно к выбору оборудования классифицируем типы нагрузок следующим образом

1. По типу электрического потребления нагрузки делятся на:

РЕАКТИВНУЮ, которая также разделяется на такие:

— Ёмкостная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в электрическое поле, а течении следующей половины преобразует энергию электрического поля в электрический ток. При этом в ёмкостной нагрузке кривая тока опережает кривую напряжения на ту же половину полупериода. Примером данного вида нагрузок может быть конденсатор.

На практике чистые реактивные нагрузки в электротехнике не встречаются. Вся электротехника работает с коэфициентом полезного действия ниже 100% вследствие рассеяния части энергии в виде тепловых потерь, потерь при излучении и др. побочных явлений. Таким образом в практической электротехнике применяется понятие активно-реактивной нагрузки. Активно-реактивная нагрузка также подразделяется на две: активно-индуктивная и активно-емкостная.

Активно-индуктивная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной индуктивности. Примером таких нагрузок может быть обмоточный электромагнитный трансформатор, электродвигатель, электромагнитное пускорегулирующее устройство для люминесцентных ламп, катушка зажигания в автомобиле. Для этого вида нагрузок характерен бросок напряжения в момент размыкания электрической цепи.

Активно-ёмкостная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной ёмкости. Примером таких нагрузок может быть конденсатор, электронные блоки питания галогенных или люминесцентных ламп. Для этих нагрузок характерен бросок тока в момент замыкания электрической цепи, особенно если он произошёл в тот момент, когда напряжение в сети максимально, или близко к максимальному.

При протекании тока через активно-реактивную нагрузку часть тока будет протекать через прибор, не производя никакой полезной работы. При этом максимумы и минимумы тока и напряжения будут достигаться в разное время, а кривые изменения по времени тока и напряжения будут не совпадать – оставаясь, при этом, периодическими функциями. Происходит сдвиг тока и напряжения по фазе. Для обозначения зависимости такого сдвига применяется понятие Косинус угла между током и напряжением, и обозначается как cos( ϕ ). Этот параметр является очень важным в электротехнике, которым не стоит пренебрегать при расчетах и выборе стабилизаторов напряжения, источников бесперебойного питания и электрогенераторов.

2. Фазность электропотребителей:

— однофазные –потребители рассчитанные на электропитание от 220/230В по схеме фаза-ноль-земля.

— трехфазные – потребители для которых необходимо подать напряжение 380В/400В в схеме с нейтралью и землей.

3. По способу распределения нагрузки (для трехфазных схем)

— Сбалансированные – сбалансированными считают такое распределение постребителей, когда на каждой фазе в трехфазной схеме мощности нагрузок распределены равномерно (с перекосом не более +/-20%). В качестве примера можно привести коттедж с трехфазным вводом электроснабжения, в котором при проектировании и монтаже электрических потребителей 15 кВт мощности равномерно распределили по 5 кВт на каждую фазу. Еще одним примером можно выделить промышленный цех, в котором преобладают трехфазные потребители и таким образом все три фазы будут нагружены равномерно.

— Несбалансированные – характеризуются как хаотично-нагруженные фазы, где нагруженность фаз может отличаться на 100% между собой. Примером может служить частный трехэтажный дом в котором на каждый этаж отводится одна фаза. Как показывает практика первый этаж дома (т.е. одна из фаз) обычно перегружена в силу того, что на первом этаже размещаются: кухня, бойлерная и комната отдыха, а на остальных этажах спальни с бытовой техникой. В итоге одна фаза может быть нагружена на 100%, а другие используются редко или не сильно нагружены.

Источник

Реактивная мощность — еще раз коротко о главном

Все чаще в различных изданиях и СМИ, в рамках информации о реализации Федерального закона от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» встречается информация о борьбе с реактивной мощностью в сетевых компаниях и на промышленных предприятиях. Что же это за такое зло, что для борьбы с ним сетевыми компаниями тратятся сотни миллионов рублей, разрабатываются специальные долгосрочные целевые программы мероприятий по управлению реактивной мощностью в электрических сетях, ведутся агитации среди крупных потребителей электроэнергии на установку устройств по компенсации реактивной мощности. Так ли она важна и необходима эта компенсация?

Зачастую, многие потребители подсознательно полагают, что генерирующие компании поставляют два типа электрической энергии, так как оплачивают счета за потребленную активную и реактивную мощность, составляющие полной мощности выдаваемой генерирующими подстанциями. Хотя на самом деле понятие реактивной мощности хоть и общепринято и употребляемо, но не совсем корректно, так как физически реактивной мощности (именно в классическом понимании мощности, как отношения работы ко времени) не существует, так как никакой работы она не совершает.

Активная мощность — та часть электрической энергии, которая идет на совершение полезной работы и в процессе потребления преобразуется в другие типы энергии, например тепловую, механическую или световую.

Название реактивная мощность, по аналогии с реактивным сопротивлением, обусловлено способностью индуктивных и емкостных элементов накапливать и отдавать обратно в сеть, запасенную магнитную или электрическую энергию, и проявлять кажущиеся сопротивление только в цепях переменного тока. В то время как активное сопротивление зависит только от конкретного материала проводника.

Согласно общепринятому утверждению, под условным термином «реактивная мощность» понимают вторую составляющую полной мощности в сетях переменного тока, характеризующую интенсивность обмена/циркуляции электрической энергии между источником и подключенной к нему реактивной нагрузки (элементов индуктивности и/или конденсаторов), которая необходима только для расчетов определяющих влияние реактивных элементов на сеть.

Индуктивные (катушки в трансформаторах, дросселях, индукционных печах, двигателях и пр.) и емкостные (конденсаторные батареи) элементы практически не расходуют электроэнергии (без учета магнитного рассеивания и утечек в конденсаторах), хотя она и используется для создания электромагнитных и электрических/электростатических полей, но в процессе разряда возвращается обратно в сеть. Так как энергия циркулирует, то соответственно есть изменения тока и напряжения, которые можно посчитать в виде условной реактивной мощности используемой только для совершения данных преобразований.

Для электрических цепей в зависимости от подключаемого оборудования можно выделить три ситуации:

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для активной (резистивной) нагрузки.

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для индуктивной нагрузки.

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для емкостной нагрузки.

В реальности нагрузка имеет более-менее выраженную индуктивно-емкостную нагрузку (см. рис. ниже), зависящую от параметров самого оборудования. Из-за смещения фаз напряжения и тока уменьшается величина активной мощности, используемой для совершения полезной работы в системах с индуктивной нагрузкой, так как часть электрической энергии (реактивной мощности) будет циркулировать в энергосистеме и тратиться только на создание магнитных полей, не совершая ничего полезного, что в свою очередь приводит к увеличению тока необходимого для полноценной работы оборудования. В то же время, как известно, все проводники обладают активным сопротивлением, и циркуляция больших токов в системе будет приводить к их нагреву (величина нагрева, а соответственно и потерь, как известно, пропорциональна квадрату тока), а соответственно и к потерям электрической энергии.

Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для индуктивно-емкостной нагрузки.

Для расчетов полной мощности применяется формула,

где, P — активная мощность, определяется по формуле,

Q — реактивная мощность, определяется по формуле,

U — напряжение, I — сила тока, ϕ — угол между напряжением и током.

Как было сказано выше, перетоки реактивной мощности в сети не выполняют полезной работы, при этом загружают источник, силовые линии, и все коммутационное оборудование, установленное между генерирующими станциями и конечными потребителями, а также нагревая кабели и линии высоковольтных передач, снижая тем самым их пропускную способность (с увеличением температуры растет сопротивление проводов) и создавая бесполезное тепло. Зачем же греть окружающую среду и еще платить за это деньги?

Помимо этого снижение пропускной способности и увеличение потерь из-за нагрева проводов ведет к значительным отклонениям напряжения, нормируемым в соответствии с ГОСТ 13109-97, что в конечном итоге негативно сказывается на:

Исходя из всего вышесказанного, решение проблем по компенсации реактивной мощности занимают одно из важнейших мест среди мероприятий направленных на повышение эффективности распределения, передачи и потребления электроэнергии. Ведь от их результатов зависит качественное электроснабжение, а также экономия средств по оплате за потребленную электроэнергию (активную и реактивную) и материальных ресурсов. Поэтому в зависимости от конкретной ситуации, все вопросы по компенсации реактивной мощности необходимо решать с учетом современных разработок и решений для данной области.

Основной безразмерной величиной, характеризующей преобладание реактивной составляющей в оборудование, является коэффициент мощности, который численно равен косинусу сдвига тока относительно приложенного к нагрузке напряжения или отношению потребляемой оборудованием активной мощности (Р), к полной (S).

Таким образом, многие предприятия и генерирующие/распределительные сетевые компании стремятся увеличить cos(ϕ) до 1, чтобы в значительной мере снизить величину потребляемой реактивной мощности. Как было приведено выше, в быту и промышленности в основном преобладает оборудование с индуктивным характером нагрузки, с отставанием тока от напряжения, поэтому используя устройства с емкостной нагрузкой, удается уменьшить сдвиг между током и напряжением в фазе, а соответственно добиться cos(ϕ), близкого к единице.

Этого можно достичь с минимальными затратами путем использования компенсирующих установок построенных на базе конденсаторов (конденсаторные установки КРМ, АУКРМ, батареи статических конденсаторов), более дорогих синхронных двигателей в режиме перевозбуждения или тиристорных схем с фильтрами, устанавливаемых непосредственно вблизи оборудования с преобладающей реактивной нагрузкой или группами, на распределительных подстанциях предприятия. Так создание электрической энергии с преобладающей емкостной характеристикой с генерирующих синхронными генераторами подстанций, в целом не целесообразно, ввиду тех же самых потерь при передаче и распределении электрической энергии.

В последнее время все более востребованными становятся конденсаторные установки АУКРМ, позволяющие производить более точную коррекцию коэффициента мощности с учетом изменения значений, потребляемой мощности от токов нагрузки, напряжения, времени суток.

При этом при формировании конденсаторной установки желательно обеспечивать максимально малый шаг регулирования, но с использованием минимального количества конденсаторов. В конечном итоге грамотный выбор определенного оборудования для компенсации реактивной мощности определяется на основании технико-экономических расчетов, характера преобладающей в сетях предприятия реактивной нагрузки, что позволит достигнуть положительного экономического эффекта при минимальных сроках окупаемости внедренного оборудования.

По материалам компании «Нюкон»

Источник