С учетом опыта практики специалистов компании «МИРКОН» превалирующее большинство заказчиков технических средств компенсации реактивной мощности и/или локализации источников эмиссии гармоник не имеет (или не актуализирует) профильного образования в этом сегменте электроэнергетики. Поэтому команда и менеджмент «МИРКОН» считают целесообразным объяснить почти «на пальцах» основы традиционной и современной концепции полной, активной, реактивной и неактивной мощности, что позволит выйти на лучший уровень взаимопонимания и более эффективно решать проблемы, как перетоков реактивной энергии, так и эмиссии/трансмиссии гармоник в силовых потребительских сетях.
Что такое мощность
Мощность — это мера энергии в единицу времени, т. е. мощность прибора в ваттах (Вт) показывает скорость, с которой он потребляет электроэнергию. Общее количество энергии, потребляемое этим устройством — это мощность, умноженная на количество времени, в течение которого она использовалась, и эта энергия может быть выражена в ватт-часах (или, чаще, в киловатт-часах). В свою очередь мощность, рассеиваемая элементом схемы, будь то прибор или просто провод, определяется произведением его сопротивления на квадрат тока, проходящего через него, и в общем обозначает количество электроэнергии, трансформировавшееся в тепло (тепловую энергию) или механическую энергию (электродвигатели и пр.). Тепловая энергия может быть частью предполагаемой функции прибора как в любом электронагревательном устройстве или рассматриваться как потеря при резистивном нагреве линий передачи, однако в целом физический процесс описывается законом Ома, позволяющим определить мощность простым произведением тока и напряжения.
Применение простой формулы становится проблематичным, когда напряжение и ток меняются с течением времени, как это происходит при переменном токе. В наиболее кратких, но абстрактных обозначениях мощность, ток и напряжение являются комплексными величинами, и уравнение для мощности выглядит следующим образом: S=I*×U, где S — полная мощность, а звездочка обозначает комплексное значение тока I (положительное или отрицательное при расчетах). Внешне все это имеет мало физического смысла и в интересах концептуального понимания мощности переменного тока правильно принять «на веру» утверждение, что в цепях с резистивной нагрузкой всегда мгновенная мощность равна мгновенному произведению синфазных (совпадающих по фазе) тока и напряжения, а для вычисления усредненного по всем периодам значения мощности нужно использовать среднеквадратичные значения тока и напряжения — IRMC и URMC.
При наличии реактивных нагрузок кривые тока и напряжения сдвинуты, а значит одна величина иногда бывает отрицательной, а другая — положительной и, как результат — мгновенная передаваемая или потребляемая мощность (произведение напряжения и тока) иногда бывает отрицательной (см. рис. ниже).
Иногда такую ситуацию интерпретируют, как то, что мощность «течет назад» по линии передачи или от нагрузки и обратно в генератор, а энергия, которая передается туда и обратно, необходима электрическим или магнитным полям внутри этих нагрузок и генераторов. Вне зависимости от интерпретаций физического смысла такого явления по итогу наличия «отрицательной» мощности выходит, что средняя мощность при реактивной нагрузке всегда меньше ее значения в цепях с резистивными сопротивлениями и это связано с величиной фазового сдвига между напряжением и током (или косинусом угла сдвига) — Р=IRMC*URMC*cosφ.
Средняя мощность соответствует мощности, фактически передаваемой или потребляемой нагрузкой и ее также называют реальной, истинной, активной мощностью Р и измеряют в ваттах. Уравнение выше справедливо для всех случаев типа нагрузки — при чисто резистивной нет фазового сдвига, φ=0 и cosφ=1, т. е. выходим на закон Ома, при чисто реактивной φ=90 и cosφ=0, а значит мощность только колеблется вперед и назад, но не потребляется (средняя мощность равна нулю).
Что такое полная мощность
Произведение тока и напряжения, независимо от их фазового сдвига, называется полной мощностью и обозначается символом S. Хотя полная и реальная мощность одинаковые физически они выражаются по-разному, чтобы сохранить очевидное различие, а единицы полной мощности обозначают вольт-амперами (ВА). В целом полная мощность важна с точки зрения выбора характеристик нагрузки(обычно в кВА или МВА), ведь фактически решающей величиной по отношению к пределам теплоемкости является только ток, а поскольку на практике рабочее напряжение силового оборудования обычно довольно постоянное, то полная мощность, по факту не зависящая от коэффициента cosφ является лучшим способом индикации силы тока.
Что такое реактивная мощность
Реактивная мощность — это как раз та составляющая мощности, которая колеблется взад и вперед по линиям, обмениваясь между электрическими и магнитными полями и не выполняя «полезной» работы — она обозначается символом Q, а ее величина определяется как Q=IRMC*URMC*sinφ и измеряется в VAR (иногда Var или VAr). Обычно устройства, потребляющие реактивный индуктивный ток, называют приемниками реактивной мощности, а устройства, потребляющие реактивный емкостной ток, называют источниками реактивной мощности.
Большая часть промышленного оборудования потребляет реактивную мощность — электродвигатели, трансформаторы, кондукторы, дроссели, преобразователи, дуговые печи, силовая электроника и т. д. Это создает дефицит реактивной мощности в потребительской сети, а значит ее нужно транспортировать от генераторов электростанций через магистральные линии, распределительные сети, что приводит к потерям, изменениям параметров качества электроэнергии и, соответственно, требует компенсации потребителем затрат.
Однако в самой потребительской сети можно установить источники реактивной мощности — конденсаторы, батареи, конденсаторные установки, которые будут компенсировать потребность в реактивной энергии на местах, а значит снизят энергопотребление из распределительной сети и повысят качество электроэнергии.
(О современной концепции активной и неактивной мощности в следующем материале).
