Активна та реактивна потужність
Активна та реактивна потужність. За що платимо і робота
Активна та реактивна потужність – споживачі електричної енергії на те й споживачі, щоб цю енергію споживати. Споживача цікавить та енергія, споживання якої йде йому на користь, цю енергію можна назвати корисною, але в електротехніці її називають активною. Це енергія, яка йде на нагрівання приміщень, готування їжі, вироблення холоду, і перетворюється на механічну енергію (робота електродрилів, перфораторів, електронасосів та ін.).
Крім активної електроенергії, існує ще й реактивна. Це частина повної енергії, яка не витрачається на корисну роботу. Як відомо з вищесказаного, повна потужність – це активна і реактивна потужність загалом.
У поняттях активна та реактивна потужність стикаються суперечливі інтереси споживачів електричної енергії та її постачальників. Споживачу вигідно платити лише за спожиту ним корисну електроенергію, постачальнику вигідно отримувати оплату за суму активної та реактивної електроенергії. Чи можна поєднати ці вимоги, що здаються суперечливими? Так, якщо звести кількість реактивної електроенергії нанівець. Розглянемо, чи можливо подібне, і наскільки можна наблизитись до ідеалу.
Активна та реактивна потужність
Активна потужність
Існують споживачі електроенергії, у яких повна та активна потужності збігаються. Це споживачі, у яких навантаження представлене активними опорами (резисторами). Серед побутових електроприладів прикладами подібного навантаження є лампи розжарювання, електроплити, шафи для смаження та духовки, обігрівачі, праски, паяльники та ін.
Вказана у цих приладів у паспорті, одночасно є активною тареактивна потужність. Це той випадок, коли потужність навантаження можна визначити за відомою зі шкільного курсу фізики формулою, перемноживши струм навантаження на напругу мережі. Струм вимірюється в амперах (А), напруга у вольтах (В), потужність у ватах (Вт). Конфорка електричної плити в мережі з напругою 220 В при струмі 4,5 А споживає потужність 4,5 х 220 = 990 (Вт).
Реактивна потужність
Іноді, проходячи вулицею, можна побачити, що скло балконів покрите зсередини блискучою тонкою плівкою. Ця плівка вилучена з бракованих електричних конденсаторів, що встановлюються з певними цілями на потужних споживачів електричної енергії, що живлять, розподільних підстанціях. Конденсатор – типовий споживач реактивної потужності. На відміну від споживачів активної потужності, де головним елементом конструкції є якийсь матеріал, що проводить електрику (вольфрамовий провідник у лампах розжарювання, ніхромова спіраль в електроплитці і т.п.). У конденсаторі головний елемент - діелектрик, що не проводить електричний струм (тонка полімерна плівка або просочений маслом папір).
Реактивна ємнісна потужність
Гарні блискучі плівки, що ви бачили на балконі – це обкладки конденсатора з тонкопровідного струмопровідного матеріалу. Конденсатор чудовий тим, що він може накопичувати електричну енергію, а потім віддавати її – такий акумулятор. Якщо конденсатор увімкнути в мережу постійного струму, він зарядиться короткочасним імпульсом струму, а потім струм через нього протікати не буде. Повернути конденсатор у вихідний стан можна, відключивши його від джерела напруги та підключивши до його обкладок навантаження. Деякий час через навантаження тектиме електричний струм, і ідеальний конденсатор віддає в навантаження рівно стільки.електричної енергії, скільки він одержав при зарядці. Підключена до висновків конденсатора лампочка може на короткий час спалахнути, електричний резистор нагріється, а необережну людину може «струсити» або навіть убити при достатній напрузі на виводах та запасній кількості електрики.
Цікава картина виходить при підключенні конденсатора до джерела електричної змінної напруги. Оскільки у джерела змінної напруги постійно змінюються полярність і миттєве значення напруги (в домашній електромережі згідно із законом, близьким до синусоїдального). Конденсатор безперервно заряджатиметься і розряджатиметься, через нього безперервно протікатиме змінний струм. Але цей струм не збігатиметься по фазі з напругою джерела змінної напруги, а випереджатиме його на 90°, тобто. на чверть періоду.
Це призведе до того, що сумарно половину періоду змінної напруги конденсатор споживає енергію з мережі, а половину періоду віддає, при цьому сумарна активна електрична потужність, що споживається, дорівнює нулю. Але оскільки через конденсатор тече значний струм, який може бути виміряний амперметром, прийнято говорити, що конденсатор - споживач реактивної електричної потужності.
Обчислюється реактивна потужність як добуток струму на напругу, але одиниця виміру вже не ват, а вольт-ампер реактивний (ВАр). Так, через підключений до мережі 220 В частотою 50 Гц електричний конденсатор ємністю 4 мкФ тече струм порядку 0,3 А. Це означає, що конденсатор споживає 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивної потужності порівняно з потужністю середньої лампи розжарювання, але конденсатор, на відміну лампи, у своїй не світиться і нагрівається.
Реактивна індуктивна потужність
Якщо вконденсаторі струм випереджає напругу, чи існують споживачі, де струм відстає від напруги? Так, і такі споживачі, на відміну ємнісних споживачів, називаються індуктивними, залишаючись у своїй споживачами реактивної енергії. Типове індуктивне електричне навантаження – котушка з певною кількістю витків дроту, що добре проводить, намотаного на замкнутий сердечник зі спеціального магнітного матеріалу.
На практиці хорошим наближенням суто індуктивного навантаження є трансформатор, що працює без навантаження (або стабілізатор напруги з автотрансформатором). Добре сконструйований трансформатор на холостому ходу споживає дуже мало активної потужності, споживаючи потужність переважно реактивну.
Реальні споживачі електричної енергії та повна електрична потужність
З розгляду особливостей ємнісного та індуктивного навантаження виникає цікаве питання – що станеться, якщо ємнісне та індуктивне навантаження включити одночасно і паралельно. Зважаючи на їхню протилежну реакцію на прикладену напругу, ці дві реакції почнуть компенсувати один одного. Сумарне навантаження виявиться тільки ємнісним або індуктивним, і в деякому ідеальному випадку вдасться домогтися повної компенсації. Виглядати це буде парадоксально - підключені амперметри зафіксують значні (і рівні!) струми через конденсатор і котушку індуктивності, і повна відсутність струму в спільному ланцюгу, що їх об'єднує. Описана картина дещо порушується лише тим, що не існує ідеальних конденсаторів і котушок індуктивності, але подібна ідеалізація допомагає зрозуміти суть процесів, що відбуваються.
Повернімося до реальних споживачів електричної енергії. У побуті ми користуємося переважно споживачами суто активної потужності (приклади наведенівище), та змішаної активно-індуктивної. Це електродрилі, перфоратори, електродвигуни холодильників, пральних машин та іншої побутової техніки. Також до них відносяться електричні трансформатори джерел живлення побутової радіоелектронної апаратури та стабілізаторів напруги. У разі подібного змішаного навантаження, крім активної (корисної) потужності, навантаження споживає ще й реактивну потужність, в результаті повна потужність відмовляється більше активної потужності. Повна потужність вимірюється у вольт-амперах (ВА), і завжди є твір струму в навантаженні на напругу на навантаженні.
Таємничий «косинус фі»
У разі змішаного навантаження значення коефіцієнта потужності полягає в межах від 0 до 1. Для побутової техніки зазвичай у діапазоні 0,5-0,9. У середньому вважатимуться його рівним 0,7, більш точне значення вказується в паспорті електроприладу.
За що платимо?
І, нарешті, найцікавіше питання – за який вид енергії платить споживач. Виходячи з того, що реактивна складова сумарної енергії не приносить споживачеві жодної користі, при цьому частку періоду реактивна енергія споживається, а частку віддається, платити за реактивну потужність нема чого. Але біс, як відомо, криється в деталях. Оскільки змішане навантаження збільшує струм у мережі, виникають проблеми на електростанціях, де електроенергія виробляється синхронними генераторами, асаме: індуктивне навантаження «розбуджує» генератор, і приведення його в колишній стан обходиться у витрати вже реальної активної потужності на його «дозбудження».
Таким чином, змусити споживача платити за реактивну індуктивну потужність, що споживається, цілком справедливо. Це спонукає споживача компенсувати реактивну складову свого навантаження, а оскільки ця складова в основному індуктивна, компенсація полягає в підключенні конденсаторів наперед розрахованої ємності.
Споживач знаходить можливість платити менше
Якщо споживачем оплачується окремо споживана активна та реактивна потужність. Він готовий йти на додаткові витрати та встановлювати на своєму підприємстві батареї конденсаторів, що включаються строго за графіком, залежно від середньої статистики споживання електроенергії по годинах доби.
Існує також можливість встановлення на підприємстві спеціальних пристроїв (компенсаторів реактивної потужності), що підключають конденсатори автоматично в залежності від величини та характеру споживаної на даний момент потужності. Ці компенсатори дозволяють підняти значення коефіцієнта потужності з 06 до 097, тобто. майже до одиниці.
Прийнято також, якщо співвідношення спожитої реактивної енергії та загальної не перевищує 0,15, то корпоративний споживач від оплати за реактивну енергію звільняється.
Що ж до індивідуальних споживачів, то, зважаючи на порівняно невисоку споживану ними потужність, розділяти рахунки на оплату споживаної електроенергії на активну і реактивну не прийнято. Побутові однофазні лічильники електричної енергії враховують лише активну потужність електричного навантаження, за неї і виставляється рахунок на оплату. Тобто. нині навіть не існуєтехнічної можливості виставити індивідуальному споживачеві рахунок за спожиту реактивну потужність.
Особливих стимулів компенсувати індуктивну складову навантаження у споживача немає, та це складно здійснити технічно. Постійно підключені конденсатори при відключенні індуктивного навантаження будуть марно навантажувати електропроводку, що підводить. За електролічильником (перед лічильником теж, але за те споживач не платить), що викликає споживання активної потужності з відповідним збільшенням рахунку на оплату, а автоматичні компенсатори дороги і навряд чи виправдають витрати на їх придбання.
Інша річ, що виробник іноді встановлює компенсаційні конденсатори на вході споживачів з індуктивною складовою навантаження. Ці конденсатори, при правильному їх підборі, дещо знизять втрати енергії в проводах, що підводять, при цьому кілька підвищивши напругу на підключеному електроприладі за рахунок зменшення падіння напруги на проводах, що підводять.
Але, що найголовніше, компенсація реактивної енергії у кожного споживача від квартири до величезного підприємства знизить струми у всіх лініях електроживлення, від електростанції до квартирного щитка. За рахунок реактивної складової повного струму, що зменшить втрати енергії в лініях та підвищить коефіцієнт корисної дії електросистем.