Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока. Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.
Компенсация реактивной мощности необходима для любых индуктивных (и емкостных) нагрузок с токами, синусоида которых смещена относительно синусоиды напряжения на углы до π радиан(или до 180°), а в основе коррекции коэффициента мощности лежит принцип компенсации реактивных токов, который наиболее легко понять на примере физических (электрических) процессов, протекающих в электродвигателях переменного тока.
Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока
Работа электродвигателя переменного тока невозможна без превентивного создания магнитных полей обмоток ротора и статора, взаимодействие между которыми заставляет вал вращаться. На создание этих полей идет ток намагничивания (MagnetizingCurrent на рис. ниже), а работу двигателя с нагрузкой обеспечивает ток нагрузки (LoadCurren на рис. ниже), которые условно можно представить, как две логические цепи (линии) ветвления подаваемого на электродвигатель тока (TotalMotorCurrent на рис. ниже).
Важно: Ветвление подаваемого тока представляет логические, а не физические связи в электродвигателе — это не физическое деление цепи, а условная логическая схема для понимания концепции реактивных и активных токов.
Если условно принять, что на холостом ходу вал двигателя вращается без каких-либо потерь энергии на трение, нагрев подвижных частей, нагрев обмотки и пр., то ток намагничивания (MagnetizingCurrent) остается постоянной величиной, зависит только от конструктивных особенностей двигателя и «опаздывает» по отношению к сетевому напряжению на π радиан или 180° — синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо.
Кроме того, ток намагничивания условно не связан с присоединяемыми к двигателю нагрузками и по сути не использует энергию – потребляемая в первой половине периода на создание магнитного поля энергия возвращается в сеть во втором полупериоде.
При подключении нагрузки (исполнительного механизма, компрессора и пр.) электродвигатель начинает потреблять из силовой сети ток нагрузки в объемах, пропорциональных силе сопротивления вращению двигателя. Причем ток нагрузки синфазен сетевому напряжению — увеличивается и уменьшается соответственно нагрузке, но в фазе с напряжением.
Поскольку синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо, то результирующая синусоида тока намагничивания и синфазного с напряжением тока нагрузки смещена относительно синусоиды напряжения на угол в пределах от 0 до 90° вправо (опаздывает).
При (условно) равных токах намагничивания и нагрузки результирующая синусоида тока двигателя смещена относительно синусоиды напряжения на 45° вправо (рис. ниже слева), при уменьшении тока нагрузки в сравнении с током намагничивания результирующая кривая тока все больше смещается к синусоиде тока намагничивания (рис. ниже справа).
Важно: Коэффициент мощности — косинус угла смещения результирующей синусоиды тока от синусоиды напряжения, а это по факту показывает для краевых условий, что при нулевом смещении (cos 0 = 1) весь получаемый двигателем ток используется для передачи энергии нагрузке (активный ток и активная мощность), а при максимальном смещении в 90° (cos90° = 0) весь получаемый двигателем ток тратится на намагничивание и не делает полезной работы (реактивный ток, реактивная мощность).
Исходя из элементарной логики понятно, что чем меньше реактивного тока будет использоваться на намагничивание и чем больше активного тока – на передачу энергии нагрузке, то тем меньше будет смещенарезультирующая синусоида тока от синусоиды напряжения, тем больше будет коэффициент мощности (косинус угла смещения) и тем эффективнее будет использоваться двигателем потребляемая энергия. Вместе с тем, мощность электродвигателя зависит от сил создаваемых обмотками магнитных полей, что наряду с сопутствующими энергетическими потерями на трение, нагрев и пр. определяет достаточно высокие токи намагничивания (реактивные токи), тем большие, чем больше мощность двигателя и несовершенней его конструкция в плане энергосбережения.
С другой стороны, потребление из силовой сети больших объемов реактивных токов, необходимых для намагничивания, но не выполняющих полезную работу, снижает долю активных токов (активной мощности) или повышает нагрузку на токоподводящие линии с соответствующими негативными последствиями – падение напряжения из-за повышения электросопротивления проводов, нагрев проводки и силовых трансформаторов и т.д. Поэтому предельно необходимыми становятся мероприятия по компенсации реактивных токов (реактивной мощности), как можно ближе к электрической нагрузке.
Важно: Деление тока на активный и реактивный или мощности на активную и реактивную чисто условно — через силовую сеть подается один переменный ток (и одна мощность), который в нагрузке используется для выполнения полезной работы или же формирования условий для работы электрооборудования (намагничивания обмоток двигателя, трансформатора, генератора и т.д.), по сути, необходимых, но приносящих косвенную пользу. Т.е. реактивная мощность (или реактивные токи) для любой индуктивной нагрузки является неизбежным «злом», без которого невозможна работа, причем «мнимая» реактивная мощность в действительности становится мнимой при технически грамотных мероприятиях по компенсации реактивной мощности (см. подробнее о компенсации реактивной мощности установками КРМ, УКРМ).
Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.
Если рассмотреть случай сети переменного напряжения с двумя токами, один из которых (А на рис. ниже) опережает напряжение на 45°, а другой (В на рис. ниже) отстает от напряжения на 45°, то в векторном выражении вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока А = 0.707 Im будет направлен вверх и вправо относительно центра координат, а вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока В= 0.707 Im будет направлен вниз и влево относительно центра координат.
Результирующий ток рассматриваемого выше электродвигателя будет складываться из тока намагничивания и тока нагрузки (действующие или среднеквадратические значения), а угол между векторами результирующей тока и тока нагрузки определяет угол смещения результирующей синусоиды токов относительно синусоиды напряжения.
По аналогии индуктивная нагрузка, потребляющая ток намагничивания с опаздыванием от напряжения на 90°, на графике будет представлена вектором, направленным вниз из центра координат, синфазные с напряжением токи нагрузки — вправо от центра координат, а опережающая напряжение по току на 90° емкостная нагрузка (CapacitiveCurrent) — вверх от центра координат.
Т.е. если в цепи электродвигателя одновременно использовать емкостную нагрузку (конденсаторы) с током, опережающим напряжение на 90°, а значит и ток намагничивания на 180° и равным по мгновенным значениям току намагничивания, то эти нагрузки будут компенсировать (или дополнять) друг друга во время работы двигателя. Т.е. в полупериод потребности обмоток в намагничивании конденсаторный блок будет отдавать ток в цепь, а при разрушении магнитного поля в следующий полупериод — аккумулировать образуемую энергию в виде накапливаемого реактивного тока.
Если перейти от токов к мощности, то активная мощность RealPower (Вт, кВт, МВт) это произведение активного тока (или тока нагрузки) на напряжение, реактивная мощность ReactivePower(VAR, ВАр, кВАр, МВАр) — произведение реактивного тока (или тока намагничивания) на напряжение, полная мощностьApparentPower(вольт-ампер, ВА, кВА, МВА) — корень из суммы квадратов активной и реактивной мощностей (из теоремы Пифагора согласно векторной диаграмме), а коэффициент мощности — косинус угла между полной мощностью и активной мощностью.
Подготовлено компанией «Нюкон»
