Реактивная мощность – это величина, характеризующая нагрузки создаваемые различными колебаниями электромагнитных полей, которые встречаются цепях с конденсаторами и индуктивностями. А по своей сути это энергия, которая переходит от источника питания к потребителю (нагрузке), а затем возвращается обратно этими реактивными компонентами в течении одного полупериода.

Существуют потребители электрической энергии, которые создают чисто активную нагрузку. К ним можно отнести различные нагревательные элементы, тэны, лампы накаливания и т.п. Эти потребители не способны генерировать значительных электромагнитных полей. А вот другие потребители способны генерировать реактивную нагрузку. Т.е создавать сильные электромагнитные поля. Основными представителями этой группы можно считать устройства имеющие в своих питающих цепях конденсаторы и катушки индуктивность. Как мы уже знаем, и по разному оказывают влияние на величину реактивной мощности появляющейся в электрической цепи.

Так если приложить к катушки индуктивности ток и напряжение с нулевым сдвигом по фазе, то на выходе схемы увидим отставание тока от напряжения. А вот если подать тоже самое на конденсатор, то на выходе получим опережение током напряжения. Для понимания процесса смотри рисунок, где схематически показано опережение током напряжения при емкостном характере нагрузки.


Такие свойства реактивных нагрузок используют для регулировки уровня напряжения в сети методом компенсации большой индуктивности емкостными нагрузками, и наоборот больших емкостей - индуктивностью.

реактивная мощность вычисляется по следующим формулам:

Где, x - , I и U - ток и напряжение протекающие в цепи, sinφ - коэффициент реактивной мощности

Единицей измерения реактивной мощности по СИ, является вольт ампер реактивный – ВАр

Природу потерь в электрических цепях с реактивными компонентами можно увидеть по графикам на рисунках ниже:

.

При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между током и напряжением будет 90°. В начальный момент времени, когда уровень напряжение максимален – ток будет стремиться нулю, поэтому, мгновенное значение мощности UI в это время будет нулевым. В течении первой ¼ периода, мощность можно визуализировать на графике, как произведение UI (тока и напряжения), которое станет нулевым при максимуме тока и нулевом значении напряжения.

В следующую ¼ периода, UI будет лежать в отрицательной области координат, поэтому, мощность будет уходить обратно в источник питания. То же самое случится и в отрицательном токовом полупериоде. В результате средняя (активная) потребляемая мощность P avg за период будет нулевой.

В этом случае реактивная мощность, в соответствии с формулой выше стремится к нулю. Потребляемая мощность равна произведению тока и напряжения, Полная мощность будет равна только активной мощности. Коэффициент мощности будет равен единице (P/S = 1 ).

Рассмотрим случай равенства реактивного и активного сопротивлений в нагрузке , т.е сдвиг фаз между током и напряжением на 45°.

В этом случае: Q = U×I×sin45° = 0.71×U×I . Коэффициент мощности = 0.71

Как вы наверное заметили, реактивная мощность оказывает обычно отрицательное воздействие, в связи с чем, необходима ее компенсация.

Мгновенная мощность p произвольного участка цепи, напряжение и ток которого изменяются по законуu =U m sin(t ), i = I m sin(t– ), имеет вид

p = ui= U m sin(t )I m sin(t– ) = U m I m /2 =

= U i cos - UI cos(2t - ) = (UI cos – UI cos cos2t ) – UI sin sin2t . (1)

Активная мощность цепи переменного тока P определяется как среднее значение мгновенной мощностиp (t ) за период:

так как среднее за период значение гармонической функции равно 0.

Из этого следует, что средняя за период мощность зависит от угла сдвига фаз между напряжением и током и не равна нулю, если участок цепи имеет активное сопротивление. Последнее объясняет ее название активная мощность . Подчеркнем еще раз, что в активном сопротивлении происходит необратимое преобразование электрической энергии в другие виды энергии, например в тепловую. Активная мощность может быть определена как средняя за период скорость поступления энергии в участок цепи. Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).

Реактивная мощность

При расчетах электрических цепей находит широкое применение так называемая реактивная мощность. Она характеризует процессы обмена энергией между реактивными элементами цепи и источниками энергии и численно равна амплитуде переменной составляющей мгновенной мощности цепи. В соответствии с этим реактивная мощность может быть определена из (1) как

Q = UI sin.

В зависимости от знака угла реактивная мощность может быть положительной или отрицательной. Единицу реактивной мощности, чтобы отличить ее от единицы активной, называют не ватт, а вольт-ампер реактивныйвар. Реактивные мощности индуктивного и емкостного элементов равны амплитудам их мгновенных мощностейp L иp C . С учетом сопротивленийэтих элементов реактивные мощности катушки индуктивности и конденсатора равныQ L =UI =x L I 2 иQ C =UI = x C I 2 , соответственно.

Результирующая реактивная мощность разветвленной электрической цепи находится как алгебраическая сумма реактивных мощностей элементов цепи с учетом их характера (индуктивный или емкостный): Q =Q L –Q С. ЗдесьQ L есть суммарная реактивная мощность всех индуктивных элементов цепи, аQ С представляет собой суммарную реактивную мощность всех емкостных элементов цепи.

Полная мощность

Кроме активной и реактивной мощностей цепь синусоидального тока характеризуется полной мощностью, обозначаемой буквой S . Под полной мощностью участка понимают максимально возможную активную мощность при заданных напряженииU и токеI . Очевидно, что максимальная активная мощность получается при cos= 1, т. е. при отсутствии сдвига фаз между напряжением и током:

S = UI.

Необходимость во введении этой мощности объясняется тем, что при конструировании электрических устройств, аппаратов, сетей и т. п. их рассчитывают на определенное номинальное напряжение U ном и определенный номинальный токI ном и их произведениеU ном I ном = S ном дает максимально возможную мощность данного устройства (полная мощность S ном указывается в паспорте большинства электрических устройств переменного тока.). Для отличия полной мощности от других мощностей ее единицу измерения называют вольт-ампер и сокращенно обозначают ВА. Полная мощность численно равна амплитуде переменной составляющей мгновенной мощности.

Из приведенных соотношений можно найти связь между различными мощностями:

P = S cos, Q = S sin, S = UI =

и выразить угол сдвига фаз через активную и реактивную мощности:

.

Рассмотрим простой прием, который позволяет найти активную и реактивную мощности участка цепи по комплексным напряжению и току. Он заключается в том, что нужно взять произведение комплексного напряжения и тока, комплексно сопряженного току рассматриваемого участка цепи. Операция комплексного сопряжения состоит в смене знака на противоположный перед мнимой частью комплексного числа либо в смене знака фазы комплексного числа, если число представлено в экспоненциальной форме записи. В результате получим величину, которая называетсяполной комплексной мощностью и обозначается. Если
, то для полной комплексной мощности получаем:

Отсюда видно, что активная и реактивная мощности представляют собой вещественную и мнимую части полной комплексной мощности, соответственно. Для облегчения запоминания всех формул, связанных с мощностями, на рис. 7, б (с. 38) построен треугольник мощностей.

Общая зависимость электрической мощности от электрического тока и напряжения известна давно: это произведение. Помножим ток на напряжение – получим значение этой величины, потребляемой цепью из сети.

Но на деле все может оказаться не так просто. Потому что, просто умножив напряжение на ток, мы получим значение полной мощности. Казалось бы – это то, что нужно! Ведь обычно нас интересует именно полное значение любой величины.

Однако на электрическую мощность такое отношение распространять нельзя, так как электроэнергия и мощность, на основании которых изменяются показания нашего квартирного счетчика – не полные, а активные.

Активная мощность – это та мощность, которая потребляется в тот момент, когда в сети в один и тот же момент есть и напряжение, и синхронный с ним электрический ток. На самом деле, в цепях постоянного тока за исключением переходных процессов при включении-выключении так оно и бывает.

Постоянно «жмет» напряжение, если цепь замкнута – постоянно «давит» некоторый ток. В итоге полная и активная мощность становятся равны, поскольку ток и напряжение действуют согласованно.

Иное дело – цепи переменного тока. Напряжение в них меняет свое направление пятьдесят раз в секунду, а ток… иногда приотстает, а иногда опережает напряжение. К примеру, если в цепи имеется «индуктивность», то есть, катушка из провода, имеющая множество витков, то ток на таком элементе цепи «отстанет» от напряжения.

Причина заключается в противо-ЭДС самоиндукции, сопротивляющейся изменению тока в катушке. Получается, что напряжение к индуктивности уже приложено, а ток еще никак не может возрасти из-за помех со стороны противо-ЭДС.

В среде учащихся многих электротехнических ВУЗов бытует такое художественное сравнение: «Для тока требуется время, чтобы он мог пробежать через каждый виток, а напряжение – вот оно, уже на концах катушки».

ЭДС противоиндукции вызывает падение напряжения и снижение тока в цепи. То есть, катушка является источником индуктивного сопротивления. Но оно отличается от активного сопротивления тем, что на нем не выделяется никакого тепла и вообще не потребляется никакой мощности в привычном понимании.

Происходит просто «пустопорожнее» переливание электроэнергии от источника к индуктивности. И энергия, перенаправляемая туда и обратно как мяч в настольном теннисе, никуда из сети не уходит. Это реактивная энергия и потребителю в быту за нее не приходится платить энергосбытовой компании.

Реактивная энергия , производимая в сети в единицу времени, может считаться реактивной мощностью. Вычисляется она так же, как и активная – произведением реактивной составляющей тока на напряжение.

Реактивной же составляющей тока является та, которая не совпадает с напряжением по своей фазе. Величина «несовпадения» характеризуется углом сдвига фаз. В случае с чистой индуктивностью сдвиг фаз составляет максимум – 90°. Это означает, что когда напряжение достигает самого большого своего значения, ток только начинает расти.

А если в цепи расположен конденсатор (емкость), то напряжение, напротив, будет отставать от тока на 90 градусов по причине того, что для возникновения падения напряжения конденсатору требуется зарядить свои обкладки.

Точно так же источник и конденсатор в одной цепи будут обмениваться реактивной энергией, которая ни на что не будет тратиться.

В реальной цепи не бывает чисто активной или чисто реактивной нагрузки, поэтому полная мощность всегда состоит из активной и реактивной составляющей, а угол сдвига фаз находится в пределах между нулем и 90°.

Реактивная составляющая тока равна его произведению на синус угла сдвига фаз, а активная – произведению на косинус этого угла:

Q=I*sin⁡φ; P=I*cosφ

Полную мощность можно найти по теореме Пифагора:

S=√(P^2+Q^2);

При этом, реактивную мощность, в отличие от активной, нельзя исчислять в ваттах, потому что она неэффективна. Поэтому для реактивной мощности придумали особую единицу измерения – вольт-амперы реактивные (ВАРы). А полная измеряется в вольт-амперах, без уточнения характера нагрузки.


В настоящее время взаимоотношения энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии рассматриваются широким кругом лиц неэнергетического образования (коммерческие менеджеры, юристы и другие специалисты). Использование понятия реактивная мощность (реактивная энергия) в практике денежных расчетов между поставщиками и потребителями электроэнергии и наличие отдельных счетчиков активной и реактивной энергии вызывает у многих представление о поставке потребителям двух видов продукции. Это не так. По электрической сети не передаются электроны разного цвета - красные активной энергии и голубые реактивной. Так что же такое реактивная мощность и реактивная энергия?

Рассмотрим в самом простом виде свойства переменного тока. Переменный ток называют так не в том смысле, что его значение изменяется в процессе потребления энергии. Оно может оставаться и постоянным. Под переменным током в узком смысле понимают периодический ток, мгновенные значения которого в течение каждого небольшого периода (для переменного тока частоты 50 Гц это 1/50 доля секунды) проходят цикл изменения от минимального до максимального значения, и наоборот. Графически этот цикл отображается синусоидой. Переменным в этом смысле является и напряжение. В целом же для цепей, в которых и напряжение, и ток циклически изменяются, используется термин «цепи переменного тока».

В цепях переменного тока существует много элементов, которые разделены воздушными промежутками - обмотки высокого и низкого напряжения трансформаторов или статор и ротор вращающейся машины (двигателя и генератора) не имеют электрической связи между собой. Тем не менее электрическая энергия передается через это воздушное пространство, являющееся фактически непроводящим ток диэлектриком. Это происходит в связи с возникновением под действием переменного тока переменного магнитного поля в индуктивности, а под действием переменного напряжения - переменного электрического поля в емкости (в комбинации — электромагнитного поля). Полям, как известно, воздух не преграда. Переменное магнитное поле, образуемое одной из разделенных обмоток, постоянно пересекает своими магнитными линиями витки другой обмотки, наводя в ней электродвижущую силу. Ее величина такова, что вся мощность первичной обмотки переходит на вторичную обмотку. В конденсаторе те же самые функции осуществляет электрическое поле.

Магнитное и электрическое поля существуют вокруг любого проводника, который находится под напряжением и по которому идет ток. Теоретически можно передать мощность по воздуху с одной из параллельно проложенных линий на другую. Правда, чтобы передать существенную мощность, линии должны быть длиной в сотни тысяч километров. Для переброски через воздушные промежутки большой мощности в устройстве приемлемого размера нужно сильное магнитное поле, сконцентрированное в небольшом пространстве. Это достигается обматыванием вокруг металлического сердечника (ярма) многочисленных витков, расположенных близко друг к другу, и применением для изготовления сердечников специальной стали, обеспечивающей большую взаимоиндукцию.

Электромагнитная энергия непосредственно преобразуется в тепловую, механическую, химическую и другие виды полезной работы в элементах, обладающих активным сопротивлением, обозначаемым R. В элементах, представляющих собой индуктивность L и емкость С, электромагнитная энергия на половине периода запасается, а на второй половине периода возвращается в источник. При этом синусоида тока, создающего магнитное поле, всегда на четверть периода (90 эл. градусов) отстает от синусоиды напряжения, а синусоида тока, создающего электрическое поле, опережает.

Сопротивления таких элементов связаны с индуктивностью и емкостью и частотой f соотношениями: X L = 2πfL и X С = 1/2πfС. Из этих соотношений видно, что эти сопротивления существуют только в цепях переменного тока, а в цепях постоянного тока (f = 0) X L превращается в 0 (короткое замыкание), а X С — в бесконечность (разрыв цепи). В связи с возвратным характером их действия эти сопротивления называют реактивными, а ток, обусловленный обменной электромагнитной энергией, — реактивным током. Так как реактивный ток сдвинут относительно активного на 90°, то естественно, что полный ток определяется как корень квадратный из суммы квадратов активного и реактивного тока.

Прохождение через сеть «сдвинутого» тока можно сравнить с продвижением людей через проход, пропускная способность которого составляет, например, 10 человек одновременно. При этом в восьми рядах люди все время идут в одном направлении, а в двух рядах одни и те же люди то идут, то возвращаются. В результате число людей, перешедших на другую сторону, следует считать исходя из пропускной способности восемь человек, а проход все время загружен десятью рядами. Аналогична ситуация и с пропускной способностью электрической сети. Разница лишь в том, что активная и реактивная составляющие тока складываются не арифметически, а в квадрате, поэтому реактивная составляющая в меньшей степени занимает сечение. Для полноты сравнения можно считать, что два ряда людей ходят боком и потому занимают меньше места.

Полупериоды запасания и возврата электромагнитной энергии индуктивностью и емкостью сдвинуты на 180° (у первой ток сдвинут на -90°, а у второй на +90°), то есть они находятся в противофазе. Поэтому при наличии рядом сопротивлений X L = X С обменная часть электромагнитной энергии не возвращается в источник, а эти элементы постоянно обмениваются ею между собой. Уже должна возникнуть мысль, а не поставить ли у потребителя электроэнергии, в сетях которого полно индуктивностей, емкость? И пусть они обмениваются между собой этой частью электромагнитной энергии, разгрузив от нее сеть и предоставив ей возможность передавать только ту часть электромагнитной энергии, которая преобразуется в полезную работу? Эта операция и называется компенсацией реактивной мощности (КРМ).

Реактивная энергия не выполняет никакой работы в том смысле, что она не может, как активная энергия, превращаться в тепловую или механическую энергию. Так как в физике понятия энергии и работы тождественны, то, строго говоря, словосочетание «реактивная энергия» физически бессмысленно. Тем не менее, применение на практике этого условного понятия удобно. Раз уж возникает дополнительный ток, названный реактивным, то его произведение на напряжение вроде бы по-другому как мощностью не назовешь, а интегрирование мощности по времени формально называется энергией. Более того, сдвинув на 90° обмотку электрического счетчика, можно заставить его считать произведение на напряжение только тока, сдвинутого на 90°, - появляется наглядное подтверждение существования реактивной энергии (счетчик ведь показывает!).

Реактивный ток не только отнимает у активного тока часть пропускной способности сети, но и на его прохождение по проводам затрачивается определенная часть активной энергии , так как потери мощности ΔР = 3I²R, где I - полный ток. Счетчик активной энергии (по большому счету только ее и можно назвать энергией, поэтому он называется просто счетчик электроэнергии) покажет одно и то же значение и при наличии, и при отсутствии реактивной составляющей тока. Поэтому только по его показаниям нельзя правильно оценить режимы линий передачи электроэнергии (в приведенном выше примере счетчик будет показывать движение восьми рядов, полностью игнорируя два двигающихся туда и обратно). Для оценки же режима сети необходимо знать обе составляющие. Активная и реактивная составляющие полного тока по-разному влияют на напряжение в точках потребления энергии. Потери напряжения от передачи активной составляющей тока в подавляющей степени определяются сопротивлением R, а реактивной — сопротивлением X L . В элементах линий электропередачи обычно X L >> R, поэтому прохождение по сети реактивного тока приводит к гораздо большему снижению напряжения, чем активного тока той же величины.

Итак, в сети переменного тока нет ничего, кроме циклически изменяющихся мгновенных значений тока и напряжения, циклы которых сдвинуты относительно друг друга на некоторую часть периода. При графическом изображении их в виде векторов говорят, что они сдвинуты на некоторый угол φ. Поэтому анекдотический ответ студента на экзамене, что три провода нужны потому, что по первому передается напряжение, по второму ток, а по третьему cos φ, можно считать более близким к истине, чем представление о поставке потребителям двух видов продукции.

Мощностные характеристики установки или сети являются основными для большинства известных электрических приборов. Активная мощность (проходящая, потребляема) характеризует часть полной мощности, которая передается за определенный период частоты переменного тока.

Определение

Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах.

Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами. Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:

Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества.


Обозначение реактивной составляющей:

Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую.

Расчет

Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

S = U * I * cos φ.

Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.


Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

Q L = U L I = I 2 x L

Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I .

Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

Сопротивление индуктивности: x L = ωL = 2πfL,

Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства.

При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

cos φ = r/z = P/S

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Компенсация

Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0:

Q = QL – QC = ULI – UCI

Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым.

При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит :

  • Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;
  • У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;
  • На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.

    • В некоторых случаях специалисты используют не полноценные ИБП, а специальные компенсирующие конденсаторы. Они подходят для бытового использования, доступны и продаются в каждом электротехническом магазине. Для расчета планируемой и полученной экономии можно использовать все вышеперечисленные формулы.