Счетчик активной энергии реактивная нагрузка

Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:

P=U*I

P=I 2 *R

P=U 2 /R

По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.

Нагрузку разделяют на два основных типа:

• Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
• Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).

Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.

Активная, реактивная и полная мощности в формулах

Чтобы рассчитать или измерить мощность: полную, активную и реактивную, служат основные формулы:

• активная мощность = полная * cosϕ;
• реактивная = напряжение * ток * sinϕ.

Для упрощения можно начать с примера на основе цепи постоянного тока, где действительна известная формула:

Это активная (рабочая, полная) мощность. Единицы измерения – ватт (Вт), киловатт (кВт), другие производные. При подключении сопротивления (R) ее можно вычислить следующим образом:

• Pa = I2 * R;
• Pa = U2 / R.

Простота исчезает при рассмотрении сигналов синусоидальной формы. Именно такими параметрами отличаются стандартные сети питания (220/380V). Активная мощность в этом случае зависит от фазового сдвига между векторами тока и напряжения.

Соответствующие зависимости выражают следующим образом:

Эта формула подходит для расчета обычной сети 220V, которой пользуется большинство рядовых потребителей. Мощные насосы и станки подключают к трехфазным источникам питания 380 V. Для этого варианта нужна коррекция:

Pa = √3 * U * I * cosϕ = 1,732 * U * I * cosϕ.

Реактивная мощность (Pq) не только потребляется нагрузкой, но и возвращается обратно в источник питания. Ее значение определяют следующим образом:

К сведению. Измеряется эта величина в реактивных вольт-амперах (вар).

Для вычисления полной мощности формула содержит перечисленные выше компоненты:

Что такое реактивная мощность

Эту мощность можно назвать бесполезной, так как она обозначает переход энергии между источником питания и нагрузкой. Недоступный для практического применения энергетический потенциал в данном случае только увеличивает потери.

Треугольник мощностей

На картинке ниже рядом с электрической схемой приведены графические изображения мощностей. Соответствующими векторами обозначены мощности:

• S – полная;
• Q – реактивная;
• P – активная.

Коэффициент мощности

Этим термином обозначают потери, созданные реактивной нагрузкой. Обозначение – cosϕ.

Коррекция cos ϕ

Для компенсации угла сдвига фаз используют дополнительные электрические компоненты. При индуктивном характере нагрузки подключают параллельно конденсатор. Емкость рассчитывают по формуле:

C=I/(w*U), где w – угловая частота.

Как и где измеряют cos ϕ

Потери определяют по изменению силы тока, напряжения и мощности в цепях с мощными реактивными нагрузками:

Можно найти в магазине либо арендовать специализированный прибор – «фазометр». Специализированные сервисы предлагают расчет электрических параметров онлайн.

Колебательный процесс в цепях переменного тока сопровождается изменением магнитного (электрического) поля для индуктивной и емкостной нагрузки, соответственно.

Что такое Косинус фи (cos φ) — «Коэффициент мощности»

Косинус фи (cos φ) это косинус угла между фазой напряжения и фазой тока.
При активной нагрузке фаза напряжения совпадает с фазой тока, φ (между фазами) равен 0 (нулю). А как мы знаем cos0=1. То есть при активной нагрузке коэффициент мощности равен 1 или 100%.

Активная нагрузка

При емкостной или индуктивной нагрузке фаза тока не совпадает с фазой напряжения. Получается «сдвиг фаз».
При индуктивной или активно-индуктивной нагрузке (с катушками: двигатели, дросселя, трансформаторы) фаза тока отстает от фазы напряжения.
При емкостной нагрузке (конденсатор) фаза тока опережает фазу напряжения
А почему тогда косинус фи (cos φ) это тоже самое что коэффициент мощности, да потому что S=U*I.
Посмотрите на графики ниже. Здесь φ равно 90 косинус фи (cosφ)=0(нулю).

Емкостная нагрузка

Индуктивная нагрузка

Попытаемся вычислить мощность для простоты возьмем максимальное значение напряжения равное 1(100%) в этот момент ток равен 0(нулю) соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот когда ток максимальный напряжение равно нулю.
Получается что полезная, активная мощность равна 0(нулю).

Коэффициент мощности это соотношение полезной активной мощности к полной мощности, то есть cosφ=P/S.

Треугольник мощностей

Посмотрите на треугольник мощностей. Вспомним тригонометрию (это что то из математики) вот здесь то она нам и пригодится.

Q =U x I x sin φ

На практике. Если подключить асинхронный двигатель в сеть без нагрузки, в холостую. Напряжение вроде как есть, ток, если замерить тоже есть, при этом ни какой полезной работы не совершается. Соответственно активная мощность минимальна.
Если на двигателе увеличить нагрузку то сдвиг фаз начнет уменьшаться и соответственно косинус фи (cos φ) будет увеличиваться, а с ним и активная мощность.

К счастью счетчики активной мощности фиксируют соответственно только активную мощность. И нам не приходится переплачивать за полную мощность.

Однако у реактивной мощности есть большой минус она создает бесполезную нагрузку на электрическую сеть из-за этого образуются потери.

Расчёты

Для вычисления полной мощности используют формулу в комплексной форме. Например, для генератора расчет имеет вид:

А для потребителя:

Но применим знания на практике и разберемся как рассчитать потребляемую мощность. Как известно мы, обычные потребители, оплачиваем только за потребление активной составляющей электроэнергии:

Здесь мы видим, новую величину cosФ. Это коэффициент мощности, где Ф – это угол между активной и полной составляющей из треугольника. Тогда:

В свою очередь реактивная мощность рассчитывается по формуле:

Для закрепления информации, ознакомьтесь с видео лекцией:

Всё вышесказанное справедливо и для трёхфазной цепи, отличаться будут только формулы.

Виды энергии

Ниже представлены основные виды нагрузок, которые используются в повседневной жизни. Они могут быть как в бытовых приборах, как и в различных двигателях или датчиках.

Активная

Для данной работы используется закон Ома, который выполняется в каждую секунду времени и схож с правилом для переменного тока. Такой тип применяется в лампах для освещения или в электроплитах.

Емкостная

Этот вид превращает в течении определенного времени энергию электрического тока в электрополе, а далее превращает ее в электрический ток. А также, здесь сила тока будет опережать напряжение.

В качестве примера может быть конденсатор. К сожалению, встретить полные реактивные нагрузки невозможно ни в одном приборе. Каждый вид не имеет коэффициент полезного действия 100%, потому что существуют потери энергии в воздухе и прочее. Потому чаще всего используется название активно-реактивной работы.

Индуктивная

Данный вид превращает энергию в магнитное поле, а далее меняет ее в электрический ток. Сила тока в этом случае будет отставать от напряжения. Для примера можно взять индуктивную катушку или датчик дросселя на автомобиле.

Функционирование выпрямителей

Расчет мощности УКРМ

Коэффициент реактивной мощности на стороне ВН определяется следующим образом:

Потребляемая активная мощность на шинах ВН складывается из активной мощности нагрузки и активных потерь мощности в трансформаторе:

Потребляемая реактивная мощность на шинах ВН складывается из реактивной мощности нагрузки и реактивных потерь мощности в трансформаторе за вычетом расчетной мощности компенсирующего устройства:

Выразим реактивную мощность нагрузки через известные величины (см. рис.1):

Потери активной и реактивной мощности в трансформаторе зависят от передаваемой мощности и рассчитываются по формулам (7) и (8):

где ΔP_xx – потери активной мощности холостого хода трансформатора (паспортные данные), кВт;

ΔQ_μ – потери реактивной мощности холостого хода трансформатора, квар;

ΔP_нагр. (ΔQ_нагр.) – нагрузочные активные (реактивные) потери в трансформаторе, кВт (квар);

ΔP_к – потери активной мощности короткого замыкания трансформатора (паспортные данные), кВт;

S_НН – потребляемая полная мощность на шинах НН, кВ*А:

S_Т – номинальная полная мощность трансформатора, кВ*А;

I_хх – ток холостого хода трансформатора, %;

U_к – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

Следует заметить, что расчеты по формулам (7) – (9) носят приближённый характер, так как на этом этапе нельзя определить значение Q_НН из-за того, что неизвестно расчетное значение реактивной мощности компенсирующего устройства Q_КУ.р, см. формулу (4). В этом случае можно:

• принять Q_КУ.р = 0 и выполнить расчет без компенсирующего устройства;
• принять Q_КУ.р = Q_р.нагр. и выполнить расчет при полной компенсации реактивной мощности на шинах НН (этот вариант рекомендуется использовать из-за меньшей расчетной погрешности первой итерации расчёта потерь в трансформаторе).

Подставляя в (2) выражения (3), (4) и (5), получим выражение для расчета коэффициента реактивной мощности на шинах ВН, где вторым неизвестным является значение реактивной мощности компенсирующего устройства Q_КУ:

Так как максимальное значение коэффициента реактивной мощности на шинах ВН нормировано, значит должно выполняться следующее условие:

Выполнение условия (11) необходимо по нормативным требованиям, но недостаточно, так как коэффициент реактивной мощности может быть отрицательной величиной. Действительно, если в (10) Q_КУ.р будет достаточно большой величиной, чтобы числитель дроби стал отрицательным, то получим перекомпенсацию реактивной мощности Q_ВН Рис. 2. Изображение реактивной мощности УКРМ в текущем режиме.

а – до переключения ступени регулирования; б – в момент переключения ступени регулирования

Значение Q_КУ находится между значениями Q_КУ.min и Q_КУ.max, значит коэффициент реактивной мощности tgϕ_ВН находится в допустимом диапазоне значений. При уменьшении реактивной мощности нагрузки Q_нагр. значения Q_КУ.min и Q_КУ.max начинают уменьшаться, см. (5), (16) и (17). При этом они смещаются влево на оси Q до тех пор, пока Q_КУ.max не достигнет значения Q_КУ (см. рис. 2, б). При дальнейшем снижении Q_нагр. значение Q_КУ выходит за допустимый диапазон. В этот момент УКРМ снижает вырабатываемую реактивную мощность Q_КУ на величину ступени регулирования ΔQ_КУ до значения Q’_КУ. Очевидно, что величина ступени регулирования не должна превышать разность между значениями Q_КУ.max и Q_КУ.min. Аналогичные рассуждения можно провести при увеличении реактивной мощности нагрузки Q_нагр.

Итак, расчётная величина ступени регулирования компенсирующего устройства определяется по выражению:

Подставив в (21) выражения (16) и (17), получим формулу расчёта ступени регулирования УКРМ:

Выбор ступени регулирования УКРМ ΔQ_КУ выполняется по выражению:

Подставив (22) в (23), окончательно получим:

Из (22) видно, что расчетное значение ступени регулирования зависит от величины активной мощности нагрузки P_нагр.; при снижении P_нагр. снижается и расчетное значение ΔQ_КУ.р. Следовательно, если ступень регулирования выбрана по расчетной мощности нагрузки P_р.нагр., то приемлемое значение tgϕ_ВН гарантированно будет обеспечиваться только в диапазоне расчетных (максимальных) значений нагрузок потребителей. При снижении потребляемой нагрузки P_нагр. величина ΔQ_КУ.р может оказаться меньше ΔQ_КУ, и tgϕ_ВН выйдет за границы диапазона допустимых значений tgϕ_max и tgϕ_min. Во избежание этой ситуации рекомендуется производить расчет ΔQ_КУ.р в режиме малых нагрузок. Тогда выбранная ступень регулирования ΔQ_КУ по выражению (24) обеспечит поддержание tgϕ_ВН в требуемом диапазоне в режиме и больших, и малых нагрузок.

Расчет нагрузки электростанции

При покупке электростанции необходимо правильно рассчитать нагрузку, которая будет от нее питаться, чтобы правильно выбрать мощность и технические характеристики устройства. Для этого следует определиться с перечнем всей техники на объекте, работающей одновременно и выделить среди нее наиболее важные точки, так называемых «тяжелых» электропотребителей для генераторов. К последним относят электрические приборы с электродвигателем (компрессоры, насосы, холодильники и т.д.), поскольку они характеризуются наличием больших пусковых токов, которые в момент старта кратковременно увеличивают показатель потребляемой мощности в 4–5 раз, а также другими негативными моментами, оказывающих влияние на конечную оценку мощности генератора. Кроме того необходимо заранее продумать планируется ли дальнейшее наращивание мощности электропотребителей в будущем. Иногда от пользователя может потребоваться выполнение дополнительных работ, связанных с разводкой и перекоммутацией нагрузки.

Типы нагрузки

Прежде всего, определимся с тем, какие существуют типы нагрузки. Их два – активная и реактивная. Большинство реальных электроприборов обладают обоими этими составляющими. Активная или как ее еще называют резистивная, либо тепловая мощность (P) измеряется в Вт (Ваттах) и представляет собой нагрузку, работающую по принципу потребления электрической энергии из сети для выработки света или тепла. К данной группе устройств относят осветительные приборы, электронагревательное оборудование и др.

Реактивная мощность (емкостная и индуктивная) характерна для оборудования, преобразующего потребляемую электроэнергию в электрическое и магнитное поле. Она измеряется в таких единицах, как Вар (Вольт Амперы реактивные) и обозначается символом Q. Такую составляющую имеют электродвигатели, электрический инструмент, бытовая аудио-, видео- и вычислительная техника.

Расчет суммарной нагрузки

Полная нагрузка – это реальная (фактически потребляемая) мощность, определяемая с учетом активной и реактивной составляющих, а также отклонений формы напряжения и тока от гармонической. Вычисляется данный показатель по следующей формуле:

Для того чтобы определиться с требуемой мощностью выбираемой электростанции необходимо вычислить суммарное энергопотребление всех работающих от нее приборов – их полную мощность, измеряемую в ВА (вольт-амперах). Эту информацию можно найти сразу в нескольких источниках: эксплуатационной документации, поставляемой вместе с техникой, либо на шильнике самого электроприбора. Тогда суммарная мощность всех устройств определится как:

Как уже говорилось выше, старт подобных агрегатов сопровождается большими пусковыми токами по сравнению с работой в нормальном режиме, поэтому мощность генератора должна обеспечивать выполнение переходных процессов при подобных кратковременных пиковых всплесках. Для таких устройств, как погружные насосы, мощные морозильные установки, бетономешалки, строительные инструменты и т.д. расчетную мощность необходимо умножить на поправочный коэффициент (1,5÷3), чтобы не допустить перегрузки двигателя электростанции, что в свою очередь может привести к ее отключению в ответственный момент, либо и того хуже – выходу из строя.

Коэффициент мощности

Очень часто производители указывают мощность агрегата в Вт, которые необходимо перевести в ВА. Если для оборудования, имеющего только активную нагрузку, эти значения будут равны, то с приборами, имеющими реактивную составляющую ситуация обстоит немного иначе. Здесь для перевода необходимо использовать коэффициент мощности. Коэффициентом мощности (cosφ) называют безразмерную величину, характеризующую потребителя переменного тока с точки зрения присутствия в нагрузке реактивной составляющей. Его еще называют мерой реактивности электрооборудования.

К примеру, если cosφ = 0,8, то 80% от потребляемой электроагрегатом мощности – это активная нагрузка, а соответственно оставшиеся 20% – реактивная. В таком случае для определения полной мощности устройства необходимо имеющуюся тепловую мощность разделить на величину коэффициента мощности. Величину данного коэффициента можно почерпнуть из тех же источников, что и мощность устройства (шильдик и документация). Если cosφ для электроприбора не известен (такое случается, когда некоторые недобросовестные производители пытаются выдать генератор за более мощный), то для приблизительного расчета его можно брать равным 0,6 – 0,8.

Пример: в паспортных данных погружного насоса указана тепловая потребляемая мощность Р=2 кВт, а величина коэффициента мощности cos φ = 0,8. Исходя из этих данных, находим полную мощность указанного агрегата, она будет равняться:

S = 2000/0,8=2500 ВА = 2,5 кВА.

Коэффициент одновременного включения

По окончанию расчетов суммарной мощности всего оборудования следует скорректировать полученную величину на специальный поправочный коэффициент, учитывающий возможность одновременного включения выбранных устройств в пик потребления. В большинстве случаев все электроприборы, подключенные к генератору, не используются в одно и то же время, в таком случае данный коэффициент будет равняться 0,7, на него и нужно умножить конечный результат. Чем больше вероятность того, что некоторые устройства будут задействованы одновременно, тем ближе к единице будет поправочный коэффициент.

Запас мощности

Помните, что рассчитанная мощность не должна быть больше номинальной у выбираемой электростанции. Также необходимо обращать внимание на то, что многие компании-производители указывают в документации показатель максимальной выходной мощности. Данный параметр допускает работу генератора при такой нагрузке в течении непродолжительного интервала времени, который в зависимости от производителя может колебаться в пределах от нескольких секунд до часа и более. Реальная же мощность (ее обычно называют номинальной) несколько, а порой даже на десятки процентов ниже этой цифры.

В завершении проводимых расчетов специалисты советуют при выборе конкретной электростанции делать запас мощности в размере 20-30% от полученной величины, другими словами умножить суммарное энергопотребление всей имеющейся техники на 1,2 – 1,3. Такой запас необходимо делать для того, чтобы станция не работала на пределе своего потенциала, и всегда имелась возможность оперативно подключить к генератору дополнительное оборудование. Дело в том, что длительное функционирование любого прибора, в том числе и электростанции в режиме перегрузки существенно снижает его ресурс.

Большинство электростанций допускают небольшую перегрузку (в районе 10%) сверх номинальной мощности с обязательными технологическими перерывами, необходимыми для восстановления нормальных параметров теплового режима. Суммарная эксплуатация автономных источников электроэнергии при таком уровне нагрузки должна занимать не более 10% от общей наработки электроустановки.

Примеры расчета мощности электростанции

Как показывает практический опыт применения электрогенераторных установок на загородном дачном участке, где из электропотребителей имеется только телевизор, холодильник и до десятка лампочек вполне хватит генератора мощностью 2 кВт. Для бесперебойного питания большого коттеджа, где установлен стандартный набор современной бытовой техники и часто возникают перебои с подачей электричества, потребуется более мощная модель (на 7 –15 кВт). Для использования во дворе собственного дома электрического инструмента – болгарки, электродрели, бетономешалки и т.п. вполне хватит портативной электростанции, рассчитанной на 6 кВт.

Рассмотрим такой пример: необходимо определиться с генератором для автономного питания перфоратора мощностью 600 Вт (cosφ=0,6) и двух обогревателей, потребляющих 1500 Вт. Минимально необходимая мощность такой электростанции составит:

S = 1,5х(600/0,6)+1500= 3000ВА = 3 кВА.

где 1,5 – коэффициент, учитывающий пусковой ток.

Если полагаться, что электростанция будет работать на 75% от своего максимального потенциала, то окончательный расчет будет иметь вид:

S = 3/75х100= 4 кВА.

Либо такой случай: имеется циркулярная пила мощностью 1400 Вт, шлифовальная машина – 1000 Вт, а также сварочный аппарат – 2200 Вт. Необходимо рассчитать мощность электростанции, которая смогла бы запитать перечисленную технику. В этом случае данный показатель определится следующим образом:

S = 1000х1,5+1400х1,5+2200х3= 10200 ВА = 10,2 кВА.

При рекомендуемом уровне нагрузки в 75 % требуемая мощность составит:

S = 10,2/75х100= 13,6 кВА.

Получаем, что для нормального функционирования данного перечня техники достаточно генератора номинальной мощностью 13,6 кВА.