Управление реактивной мощностью: понятие и необходимость регулирования явления, устройства компенсации

Электрическую энергию формируют две составляющие: активная и реактивная. Главная способность первой – умение преобразовываться в полезную энергию (куда входят тепловая, механическая и др.); второй – создание электромагнитных полей в нагрузке.

Реактивная энергия необходима для функционирования двигателей, трансформаторов, индукционных печей, дросселей, осветительных приборов и других видов электроаппаратуры, но также является источником дополнительной нагрузки на сеть, что приводит к увеличению потерь активного компонента.

Понятие реактивной мощности

Цепи постоянного тока имеют одинаковую мгновенную и среднюю мощность за определенный отрезок времени, и реактивная мощность к ним неприменима. Если ток переменный, подобная ситуация возможна, когда характер нагрузки только активный, к примеру, во время использования электронагревателя или лампы накаливания. Здесь происходит совпадение фаз (напряжение и ток) с передачей всей мощности в полезную работу.

При индуктивной нагрузке (создается электроприводами, трансформаторами) наблюдается отставание тока от напряжения, при емкостной (вырабатывается различными электронными устройствами) – опережение. Так как совпадения величин по фазе не происходит, к потребителю поступает не вся мощность, которую он мог бы получить при нулевом сдвиге.

Таким образом, реактивной можно считать энергию, циркулирующую с некоторой периодичностью в связке источник-приемник. Она появляется из-за способности конденсаторов и индуктивностей к накапливанию ресурса с последующей его передачей в начало цепи, откуда он и поступил. В процессе образуются электромагнитные поля. их колебания создают нагрузки, которые величина реактивной мощности и характеризует.

В практической деятельности это паразитное явление, от которого следует избавляться.

Необходимость компенсации

Реактивная мощность негативно сказывается на функционировании энергетических систем, ухудшая их показатели (падает напряжение, генераторами расходуется больше топлива). Также возникает дополнительная нагрузка на ЛЭП, из-за чего увеличиваются сечения проводников и прямо пропорционально им – капитальные затраты на поддержание внешних и внутриплощадочных сетей.

Перечень ее ключевых потребителей представлен асинхронными двигателями (40%), трансформаторами всех видов (35%), преобразователями (10%), электрическими печами (8%), линиями электропередачи (7%).

Отечественные и зарубежные специалисты высказывают мнение, что примерная доля электричества, включенная в стоимость конечного продукта, варьируется от 30 до 40%. Этого должно быть достаточно для инициации масштабного анализа и аудита размеров потребления ресурсов и последующей выработки методов минимизации потерь.

Одним из наиболее действенных способов решения проблемы экономии энергии без падения производительности на предприятиях практически любой отрасли выступает компенсация с применением статические конденсаторных установок или индуктивностей (реакторов, дросселей). Первые используются при индуктивных нагрузках, вторые – емкостных.

Более сложные ситуации требуют привлечения фильтрокомпенсирующего конденсаторного оборудования, которое устраняет гармонические составляющие высокой частоты, повышает параметры устойчивости аппаратуры к помехам.

УКРМ

Бытовые и промышленные сети чаще работают с активно-индуктивной нагрузкой. В связи с этим широкое распространение в качестве средств компенсации получили конструкции на основе статических конденсаторов.

Обычное УКРМ имеет вид стандартного по габаритам металлического шкафа с дверью, на внешней части которой расположена панель, позволяющая регулировать текущие настройки. Она содержит необходимый набор контрольных приборов и различные виды индикации (аварийную, пуска и остановки активности, переключение режима управления на ручное и пр.), также оснащена фазоуказателем для выявления расположения фаз. Конденсаторные батареи монтируются внутрь корпуса внизу, придавая агрегату большую устойчивость за счет тяжести емкостей.

С помощью схемы на микропроцессоре оцениваются сравнительные значения показаний средств измерения, вырабатываются команды на задействование исполнительных устройств с подходящим номиналом.

Коммутация достигается применением контакторов или тиристоров. Последние быстрее реагируют на изменение условий, поэтому предназначаются для сетей, где нагрузка характеризуется неустойчивостью и непостоянством.

В КРМ на тиристорах емкостные двухполюсники коммутируются, даже если ток равен нулю, чем обеспечивается продление срока службы не только их самих, но и всего блока.

Конденсаторные установки просты в монтаже и эксплуатации, не шумят при работе, могут размещаться и подключаться на любом участке сети. их функционирование сопровождается лишь незначительными удельными потерями активной составляющей энергии (на 1кВАр не более 0,5Вт), а разнообразие модификаций позволяет подобрать устройство, мощность компенсации которого отвечает всем требованиям конкретной системы. В конструкции отсутствуют вращающиеся части. Преимущества дополняются небольшими текущими затратами и относительно невысокой стоимостью агрегатов.

Описание регулируемых КРМ

УКРМ повышают и регулируют коэффициент мощности в электроустановках, которыми оборудованы предприятия промышленности и распределительные сети с напряжением 0,4 кВ при частоте 50Гц.

Они поддерживают его величину при наступлении часов, когда нагрузка имеет максимальный и минимальный уровень, предотвращают генерацию и накопление реактивной энергии, отслеживают колебания показателей и значения основных параметров (визуально). Благодаря отсутствию избыточной компенсации аппараты исключают перенапряжение.

УКРМ контролируют эксплуатацию и работу всей совокупности приборов, учитывают, сколько раз была задействована каждая секция и как долго она находилась в активном состоянии. Цель такого мониторинга – оптимизация износостойкости и рациональное распределение нагрузки.

Установка может отключаться в аварийном режиме, после чего обслуживающему персоналу поступает соответствующее оповещение. В системе предусмотрен принудительный обогрев или проветривание. их запуск не предполагает вмешательства оператора.

Конденсаторные УКРМ этой группы бывают автоматическими, тиристорными и фильтрокомпенсирующими. Первым характерно пошаговое (ступенчатое) регулирование реактивной мощности; вторые позволяют следить и изменять значение коэффициента в реальном времени (длительность интервала коммутации составляет от 5мс); а последние исключают гармонические составляющие (используются специальные фильтры), присутствующие в сети, из списка негативно воздействующих на батареи факторов.

Описание нерегулируемых КРМ

Нерегулируемые конструкции оснащаются конденсаторами с фиксированной мощностью. Они предназначены для распределительных сетей с трехфазной системой переменного тока, где поддерживают параметры коэффициента, рассчитаны на 2,5-100кВАр и устанавливаются в закрытые производственные помещения с умеренными и холодными климатическими, нормальными эксплуатационными условиями.

Несмотря на дешевизну и простоту, такие УКРМ статичны, то есть не отслеживают изменения cos φ, что может привести к перекомпенсации, которая, в свою очередь, является причиной возрастания суммарного показателя потерь энергии и мощности в сети, усложнения и удорожания агрегатов, контролирующих напряжение.