Активная и реактивная мощность

[chegevara]

Здравствуйте.Услышал на лекции и прочитал в книге что электро двигатель работающий в качестве генератора(да и двигателя) забирает из сети реактивную мощность, а отдаёт в неё активную(а когда работает двигателем активную даёт на вал в виде "мех вращений").Посмотрев несколько видео про это явление также узнал что реактивная мощность это вредное явление и что с ним борются!И что получается что генератор (в качестве двигателя переменного тока) выступает что-то в роде санитара леса?который забирает отходы эл энергии(реактивная мощность)и преобразует её в активную?Прошу подсказку чтобы создать законченный образ данного явления.Спасибо.

[Ryzhij]

Синхронному электродвигателю можно так отрегулировать возбуждение, что реактивная составляющая потребляемой им мощности будет носить емкостной характер - ток по фазе будет опережать напряжение.
Это позволяет скомпенсировать индуктивную реактивную составляющую остальных потребителей (асинхронных электродвигателей), и "выровнять косинус".

[rwg]

Во времена распада СССР участвовал в актуальной на то время научной разработке для сельского хозяйства: при отключении в деревне электричества трактор Беларусь крутит вал найденного на помойке асинхронного трёхфазного электродвигателя, к которому были подключены батарея конденсаторов и электрооборудование молочной фермы. В деревне света нет, а на ферме есть. Коровы довольны. Напряжение регулировалось количеством подключенных конденсаторов, чем больше ёмкость, тем больше напряжение. Откуда бралось это напряжение на выходе асинхронника - теория молчала, предполагалось, что за счёт остаточной намагниченности ротора. При превышении индуктивной составляющей нагрузки над емкостной напряжение пропадало.

[Михайло]

Для полноты и точности картины важно понимать, что единственным реальным током является полный ток. В сетях переменного тока есть такая досада - генератор выдает потребителю большой ток (полный ток), а фактически потребитель (двигатель) вырабатывает мощность чуть ниже, чем если считать по полному току. Неприятно это тем, что провода, автоматические выключатели и т.п. рассчитываются по полному току, имеют большое сечение, большие габариты, но при этом происходит недоиспользование возможностей.
Теперь о причинах этой картины. Картина становится ясной, если посмотреть картинку из учебника, где напряжение опережает ток и показаны графики мгновенной мощности (полной мощности).

Почему ток отстает от напряжения по фазе? Ответ: потому что ток определяется нагрузкой. Если нагрузка индуктивная, то она по ранее изученному закону Ленца сдвигает ток относительно напряжения в сторону отставания. Получается так, что генератор как бы пихает энергию в нагрузку, а та отталкивает ее в некоторой части обратно в силу своей природы.

Активных и реактивных токов, активной и реактивной мощности фактически не существует, это чисто математические фокусы а-ля комплексных чисел. Тем не менее нужно уметь это все вычислять, чтобы правильно подбирать индуктивности, емкости, сопротивления и т.п. Активная мощность (ток) - это та доля, которая фактически потребилась потребителем, реактивная мощность (ток) - эта доля, которую нагрузка "оттолкнула" обратно в генератор. Соответственно нужно стремиться увеличить активную составляющую и уменьшить реактивную, чтобы было максимальное использование мощности сети, максимальный косинус фи, активная составляющая равнялась полной.

Компенсация реактивной мощности: если в схему с индуктивностью добавить немного емкости (не перебарщивая), то мы будем наблюдать, что получившаяся схема увеличила свой коэффициент мощности (косинус фи). Это называется компенсацией реактивной мощности. Хитрость заключается в том, что как раз в те моменты времени, когда индуктивная нагрузка выталкивает из себя энергию, емкостная нагрузка желает потребить эту энергию. Можно убедиться в этом, если построить графики мгновенной мощности для индуктивности и емкости при переменном напряжении.

При компенсации реактивной мощности индуктивность и емкость как бы дополняют друг друга, они обмениваются между собой реактивной мощностью, не занимая при этом источник энергии. Для источника энергии компенсированная нагрузка представляет собой нагрузку с высоким косинусом фи. Компенсация реактивной мощности представляет собой реальное техническое решение проблемы недоиспользования мощности.
Есть еще понятия "резонанс токов" и "резонанс напряжений" - это названия для тех случаев, когда индуктивности добавляют ровно столько емкости, чтобы не переборщить. Это оптимальные случаи компенсации реактивной мощности для параллельного и последовательного соединения реактивных нагрузок. Подробности - в учебниках.

***
А еще у нас преподаватель постоянно просил дать определение реактивной энергии. Если реактивная мощность еще как-то математически определена, то реактивной энергии не существует даже математически. Например, говорить "компенсация реактивной энергии" некорректно. Это просто к слову.

[Ryzhij]

Если реактивная мощность еще как-то математически определена, то реактивной энергии не существует даже математически.

Мощность, ЛЮБАЯ, это энергия в единицу времени.
Не бывает такого, что вот мощность есть, а энергии нет.

Это так, к слову ;)

[Михайло]

А еще энергия и мощность складываются (аддитивны по-научному), но вот почему-то это не касается активной и реактивной мощности....... К слову.

[Ryzhij]

А Вас не удивляет существование коммерческих электросчётчиков активной, реактивной и полной энергии?
Складывать же величины разной размерности - это увлекательное занятие оставьте пионеру из мультика "В стране невыученных уроков". Это там невиданные зверушки бегали.

[Михайло]

Да, точно.

[Jackson]

[Jackson]

Здравствуйте.Услышал на лекции и прочитал в книге что электро двигатель работающий в качестве генератора(да и двигателя) забирает из сети реактивную мощность, а отдаёт в неё активную(а когда работает двигателем активную даёт на вал в виде "мех вращений")

Это не совсем так. Реактивную мощность нельзя забрать или отдать - она болтается туда-сюда как селёдка по закрытой банке и никуда не девается. Чтобы забрать мощность, её нужно куда-то передать, соответственно чтобы отдать - её нужно где-то взять. Это первое.

Второе. Мощность генератора будет такой, какова его нагрузка (нет нагрузки - нет никакой мощности) по отношению к этому генератору. Генератор сам по себе эту мощность не выдаст - закон сохранения.

Так что когда Вы говорите про двигатель - говорите какую нагрузку он создаёт. А когда говорите про генератор - говорите про то какую нагрузку он на себя принял. Если нормально нагрузка у нас индуктивная, то и на генератор она ляжет индуктивная.

Третье. Случай параллельной работы генераторов, когда мощность - как активная так и реактивная распределяются между двумя источниками. Это два независимых (по управлению и в теории) параметра генератора - активная мощность и реактивная.
С активной мощностью при параллельной работе всё просто: если она положительна значит генератор генерирует, если отрицательна - потребляет (и подкручивает собой приводной двигатель). Это называется обратная мощность или двигательный режим. Но солярку при этом приводной двигатель вырабатывать, к сожалению, не будет.

С реактивной принцип тот же, но чуть сложнее для понимания. Если нормально нагрузка индуктивная, то нормально и на генераторах она индуктивная, но может получиться так что на одном генераторе реактивной мощности вовсе не будет, или она будет даже емкостная (при общей индуктивной) - это значит что этот генератор недостаточно возбуждён и требуется энергия для того чтобы поддерживать его напряжение (шины-то общие), чем он дополнительно нагружает другой генератор. Может быть даже так что общая нагрузка чисто активна, но из-за разного возбуждения генераторов на одном видим cosФ = 0,8i, а на другом - 0,8c.

И что получается что генератор (в качестве двигателя переменного тока) выступает что-то в роде санитара леса?который забирает отходы эл энергии(реактивная мощность)и преобразует её в активную?Прошу подсказку чтобы создать законченный образ данного явления.Спасибо.

Где-то каша в голове - либо у Вас либо у автора сего.

Продолжим. Каналы управления генераторами при их параллельной работе по активной и реактивной мощности разные и независимые. Активная мощность создаёт тормозной момент на валу генератора, значит чем больше дадим топлива (газу) тем больше он возьмёт на себя активной мощности, и наоборот. можно отрегулировать его так чтобы он активной мощности ни выдавал ни потреблял, всю активную мощность возьмут на себя другие источники, с которыми он работает параллельно.
Реактивная мощность никакого момента в теории на валу не создаёт (на практике создаёт но очень незначительный и не у всех генераторов), но определяется степенью возбуждения генератора, то есть регулируя ток возбужения (так же как и топливо - больше/меньше) можно добиться чтобы генератор взял на себя реактивную нагрузку, начал наоборот создавать её, или работал в 0. Как и с активной мощностью.

Теперь про санитара леса. Раз каналы управления разными мощностями разные, то логично, если не создавать момент на валу (работать с 0 активной мощностью) кидать на генератор реактивную нагрузку. Эта идея одно время широко применялась на судах, где валогенератор, что приводился в движение главным двигателем вместе с гребным винтом, работал в режиме т.н. синхронного компенсатора: включается в судовую сеть как обычный генератор, но регулируется так что активной мощности на себя не берёт и соответственно главный двигатель не нагружает, а реактивную нагрузку принимает на себя сколько может чем разгружает остальные генераторы. Генератор с собственным независимым приводом в таком режиме гонять бессмысленно экономически - двигатель все равно будет его вращать, топливо потреблять, ресурс расходоваться а без нагрузки ДВСы и малые турбины плохо работают (точнее очень недолго). Но если уже есть какой-то приводной двигатель который что-то вращает, то можно навесить на него ещё и синхронный генератор и включить его в сеть - пусть берёт на себя только реактивную нагрузку.

Только это выливается в требования к автоматике, редуктор нужно с отбором мощности сделать, сам генератор небесплатный и габаритный, и на технологию повлияет. Например на судне, которое идёт с включенным валогенератором, у капитана нет свободы манёвра потому что обороты ГД должны быть постоянными (иначе он всю судовую электросеть завалит) - значит делаются гребные винты регулируемого шага со своей непростой механикой и автоматикой... Короче нюансов много и далеко не везде это применимо. Но на океанских торговых судах оправдано - на трансокеанском переходе в течение недели-двух а то и больше никаких маневров не планируется, незачем гонять независимые генераторы, когда главный двигатель всё равно крутится и всё время с постоянными оборотами - тут либо полностью переходят на валогенератор, либо используют валогенератор как раз в режиме синхронного компенсатора.

Надеюсь, стало понятнее.

[chegevara]

Спасибо теперь более мене понятней стало

[Михайло]

1. С точки зрения сети kVA имеют самое важное значение.
2. С точки зрения электропотребителя очень большое значение имеет kW, это реальная мощность которая пошла в пользу.
3. Заблуждением будет считать, что kVAR - это всегда некие ненужные потери. Например, в электродвигателях переменного тока kVAR абсолютно необходим, нельзя его снижать до нуля. Реактивная мощность используется для создания магнитного поля возбуждения. Без магнитного поля двигатель не может создать крутящую силу \(F=B \cdot I \cdot l\), где магнитная индукция \(B\) - это как раз результат действия реактивной мощности. Магнитное поле требует подпитки энергией, но при этом возвращает назад в сеть - так следует обосновывать необходимость kVAR.
kVAR можно только компенсировать (как я писал выше): в случае компенсации kVAR никуда не девается, для нее просто находится альтернативный источник, kVAR со знаком минус, емкость, вместо сети.

[Михайло]

Вот так вот картинка может сформировать ложное представление...

Еще вот лекцию про полезность противоЭДС в двигателях постоянного тока не рассказал. Хотя казалось бы, что противоЭДС - это нечто противное.