Bilim.techО проекте

Активная, реактивная мощность и cos φ

Зачем двигателю конвейера конденсаторная батарея, если она не крутит вал? Меняй нагрузку и cos φ, подключай конденсаторы и смотри, как падают ток в кабеле и потери.

01 Что это такое

Двигатель берет из сети два тока: один крутит вал, другой только создает магнитное поле и гоняет энергию туда и обратно. Второй ток не делает работы, но греет кабель и трансформатор.

Активная мощность P превращается в работу и тепло: поднимает руду, качает воду. Реактивная мощность Q нужна, чтобы намагнитить двигатель или трансформатор: четверть периода энергия уходит в магнитное поле, четверть периода возвращается обратно в сеть. Кабель же должен пропустить оба тока сразу, полный ток соответствует полной мощности S. Доля полезной мощности в полной называется коэффициентом мощности cos φ. Чем он ниже, тем больше ток при той же работе.

Мгновенная мощность p = u · iвыше оси: энергия идет в двигательниже оси: возвращается в сетьP, кВт: работаQкварS, кВ·АφТреугольник мощностей
Ток сдвинут на 60°: площадь над осью больше, чем под ней, и разница идет в работу. Треугольник показывает то же самое числами: cos φ = P / S.
P
Активная мощность, кВт. Та, что превращается в работу и тепло. За нее платят по счетчику активной энергии.
Q
Реактивная мощность, квар. Энергия, которая качается между сетью и магнитным полем двигателя. Работы не делает, но по кабелю течет.
cos φ
Коэффициент мощности. Отношение P к полной мощности S. У нагруженного двигателя 0,8–0,9, у недогруженного падает до 0,4–0,5.
02 Опыт
Нагружай двигатель. Включай конденсаторы. Смотри на ток в кабеле. КОМПЕНСАЦИЯ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

Сколько тока гоняет кабель впустую?

Рис. 11.3
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
cos φ до → после
Ток в кабеле
Потери в кабеле
03 Формулы по буквам

Треугольник мощностей и расчет батареи

Три мощности связаны теоремой Пифагора, а ток в трехфазной линии определяется полной мощностью. Отсюда видно, сколько квар нужно поставить, чтобы ток упал. Числа берутся из опыта. Нагрев проводов током разобран в теме «Закон Джоуля–Ленца», векторная диаграмма в теме «Цепь переменного тока».

Как связаны три мощности?

S² = P² + Q²

Активная и реактивная мощности это катеты, полная мощность это гипотенуза. Угол между P и S тот же, что между напряжением и током: P = S · cos φ, Q = S · sin φ.

S
полная мощность, кВ·А. По ней выбирают трансформатор и кабель
P
активная мощность, кВт
Q
реактивная мощность, квар (киловольт-ампер реактивный)
φ
угол сдвига тока относительно напряжения

Какой ток пойдет по кабелю?

I = S / (√3 · U)

В трехфазной сети ток каждой фазы определяется полной мощностью, а не активной. Потери в кабеле растут как квадрат тока: ΔP = 3 · I² · R. Снизили ток на 20 %, потери упали на 36 %.

I
ток в фазе, А
U
линейное напряжение сети, кВ
√3
≈ 1,73: множитель трехфазной сети
R
сопротивление одной жилы кабеля, Ом: R = ρ · l / s

Сколько конденсаторов поставить?

Qк = P · (tg φ1 − tg φ2)

Батарея отдает опережающий реактивный ток и забирает на себя часть Q двигателя. Чтобы поднять cos φ от φ1 до φ2, нужна мощность батареи, равная разности реактивных мощностей. Слишком большая батарея перекомпенсирует сеть.

Qк
мощность конденсаторной батареи, квар
tg φ1
тангенс угла до компенсации: Q / P двигателя
tg φ2
тангенс желаемого угла. Для cos φ = 0,95 это 0,33

Откуда берется реактивная мощность

Мгновенная мощность это произведение мгновенных напряжения и тока: p = u · i. Если ток сдвинут на угол φ, то в некоторые доли периода u и i имеют разные знаки, и p отрицательна: двигатель отдает энергию магнитного поля обратно в сеть. Среднее значение p за период и есть активная мощность P = U · I · cos φ.

Амплитуда колебаний энергии, которая ходит туда и обратно, это Q = U · I · sin φ. Конденсатор качает энергию в противофазе с катушкой: когда поле двигателя отдает энергию, конденсатор ее принимает. Если поставить конденсатор рядом с двигателем, реактивная энергия ходит между ними по короткому проводу, а длинный кабель от подстанции несет только активный ток.

Поэтому батарею ставят как можно ближе к нагрузке, а энергосистема берет плату за потребление реактивной энергии сверх нормы.

без батареиТПMI активныйI реактивныйс батареей у двигателяТПMреактивный ток ходит только между батареей и двигателем
Батарея у двигателя разгружает длинный кабель и трансформатор от реактивного тока.
04 Где и зачем это применяют

cos φ стоит денег и напряжения

Допущения модели+

Сеть трехфазная симметричная, напряжение у трансформатора постоянное, ток считается по номинальному напряжению. Мощность двигателя и его cos φ заданы и не зависят от напряжения. Кабель медный, сопротивление жилы R = 0,0185 Ом·мм²/м · l / s при 20 °C, индуктивное сопротивление 0,08 Ом/км. Падение напряжения оценено по формуле ΔU = (P · R + Q · X) / U. Конденсаторная батарея идеальная, без потерь и гармоник. Потери энергии за год посчитаны для 6000 часов работы в году при неизменной нагрузке.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →