Jalová energie v elektrických sítích

Mnoho spotřebitelů elektřiny nemá podezření, že část naměřené elektřiny je plýtvána. V závislosti na typu zátěže může úroveň výkonových ztrát dosahovat od 12 do 50 %. Elektroměry přitom tyto ztráty počítají a odkazují na užitečnou práci, za kterou musíte zaplatit. Důvodem předražení spotřeby elektřiny, která nevykonává užitečnou práci, je jalový výkon přítomný ve střídavých sítích.

Abychom pochopili, za co přeplácíme a jak kompenzovat dopad jalového výkonu na provoz elektrických instalací, uvažujme důvod výskytu reaktivní složky při přenosu elektřiny. K tomu musíte pochopit fyziku procesu spojeného se střídavým napětím.

Co je to jalový výkon?

Nejprve zvažte koncept elektrické energie. V širokém slova smyslu tento pojem znamená práci vykonanou za jednotku času. Ve vztahu k elektrické energii trochu poopravíme pojem výkon: elektrickým výkonem budeme rozumět fyzikální veličinu, která vlastně charakterizuje rychlost tvorby proudu nebo množství přenesené či spotřebované elektřiny za jednotku času.

Je zřejmé, že práce elektřiny za jednotku času je určena elektrickým výkonem, měřeným ve wattech. Okamžitý výkon v části obvodu se zjistí podle vzorce: P = U×I, kde U a I jsou okamžité hodnoty indikátorů parametrů napětí a proudu v této sekci.

Přísně vzato, výše uvedený vzorec platí pouze pro stejnosměrný proud. V obvodech se sinusovým proudem však vzorec funguje pouze tehdy, když je zátěž spotřebiče čistě aktivní. Při odporové zátěži je veškerá elektrická energie vynaložena na užitečnou práci. Příklady odporových zátěží jsou odporová zařízení, jako je ohřívač vody nebo žárovka.

Pokud jsou v elektrickém obvodu kapacitní nebo indukční zátěže, objevují se parazitní proudy, které se nepodílejí na výkonu užitečné práce. Výkon těchto proudů se nazývá reaktivní.

U indukčních a kapacitních zátěží se část elektřiny odvádí ve formě tepla a část brání vykonání užitečné práce.

Mezi zařízení s indukční zátěží patří:

• Elektrické motory;
• tlumivky;
• transformátory;
• elektromagnetická relé a další zařízení obsahující vinutí.

Kondenzátory mají kapacity.

Fyzika procesů

Když jsme u stejnosměrných obvodů, není třeba mluvit o jalovém výkonu. V takových obvodech jsou hodnoty okamžitého a zdánlivého výkonu stejné. Výjimku tvoří okamžiky sepnutí a vypnutí kapacitních a indukčních zátěží.

Podobná situace nastává v přítomnosti čistě aktivních odporů v sinusových obvodech. Pokud jsou však do takového elektrického obvodu zařazena zařízení s indukčními nebo kapacitními odpory, dochází k fázovému posunu proudu a napětí (viz obr. 1).

Současně je na indukčnostech pozorováno fázové zpoždění proudu a na kapacitních prvcích je fáze proudu posunuta tak, že proud je před napětím. Vlivem narušení harmonických proudu se celkový výkon rozloží na dvě složky. Kapacitní a indukční součástky se nazývají reaktivní, zbytečné. Druhou složku tvoří činné síly.

Rýže. 1. Fázový posun induktivní zátěží

Úhel fázového posunu se používá při výpočtu hodnot činných a jalových kapacitních nebo indukčních výkonů. Je-li úhel φ = 0, který nastává u odporových zátěží, pak neexistuje žádná reaktivní složka.

Je důležité si pamatovat:

• rezistor spotřebovává pouze činný výkon, který se uvolňuje ve formě tepla a světla;
• induktory vyvolávají tvorbu reaktivní složky a vracejí ji zpět ve formě magnetických polí;
• Příčinou reaktance jsou kapacitní prvky (kondenzátory).

Mocninný trojúhelník a cos φ

Celkový výkon a jeho složky znázorníme pro názornost ve formě vektorů (viz obr. 2). Vektor celkového výkonu označíme symbolem S a symboly P a Q přiřadíme vektorům aktivní a reaktivní složky. Protože vektor S je součtem složek proudu, pak podle pravidla sčítání vektorů vzniká mocninný trojúhelník.

Pomocí Pythagorovy věty vypočítáme modul vektoru S:

Zde můžete najít reaktivní složku:

Již jsme zmínili výše, že jalový výkon závisí na fázovém posunu, a tedy na úhlu tohoto posunu. Tuto závislost je vhodné vyjádřit pomocí cos φ. Podle definice cos φ = P/S. Tato hodnota se nazývá účiník a označuje se P_f. Takže P_f = cos φ = P/S.

Účiník, tedy cos φ, je velmi důležitá charakteristika, která umožňuje vyhodnotit účinnost proudu. Tato hodnota je v rozsahu od 0 do 1.

Pokud úhel fázového posunu nabývá nulové hodnoty, pak cos φ = 1, což znamená, že P = S, to znamená, že celkový výkon se skládá pouze z činného výkonu a nedochází k žádné reaktivitě. S fázovým posunem o úhel π / 2, cos φ u0d XNUMX, což znamená, že v obvodu dominují pouze reaktivní proudy (v praxi tato situace nenastává).

Z toho můžeme usoudit: čím blíže k 1 koeficientu P_f tím efektivněji je proud využíván. Například pro synchronní generátory se považuje za přijatelný koeficient od 0,75 do 0,85.

vzorec

Protože jalový výkon závisí na úhlu φ, použije se k jeho výpočtu vzorec: Q = UI × sin φ. Jednotkou měření reaktivní složky je var nebo jeho násobek – kvar.

Aktivní složku zjistíme podle vzorce: P = U*I×cosφ. Pak

Znalost koeficientu P_f (cos phi), jmenovitý výkon spotřebiče proudu můžeme vypočítat jeho jmenovitým napětím vynásobeným hodnotou odebíraného proudu.

Kompenzační metody

Již jsme zjistili, jak jalové proudy ovlivňují provoz přístrojů a zařízení s indukčními nebo kapacitními zátěžemi. Pro snížení ztrát v elektrických sítích se sinusovým proudem jsou vybaveny přídavnými kompenzačními zařízeními.

Princip činnosti kompenzačních instalací je založen na vlastnostech indukčností a kapacit pro fázový posun v opačných směrech. Pokud například vinutí elektromotoru posune fázi o úhel φ, pak lze tento posun kompenzovat kondenzátorem příslušné kapacity, který posune fázi o hodnotu – φ. Pak bude výsledný posun nulový.

V praxi jsou kompenzační zařízení zapojena paralelně se zátěžemi. Nejčastěji se skládají z bloků velkých kondenzátorů umístěných v samostatných skříních. Jedna taková kondenzátorová banka je znázorněna na obrázku 3. Obrázek ukazuje skupiny kondenzátorů používaných pro kompenzaci napěťových posunů v různých zařízeních s indukčním vinutím.

Rýže. 3. Kompenzační zařízení

Kompenzaci jalového výkonu s kapacitní zátěží dobře ilustrují grafy na obrázku 4. Všimněte si, jak účinnost kompenzace závisí na síťovém napětí. Čím vyšší je síťové napětí, tím obtížnější je kompenzace parazitních proudů (graf 3).

Rýže. 4. Kompenzace jalového výkonu pomocí kondenzátorů

Kompenzační zařízení jsou často instalována ve výrobních závodech, kde je v provozu mnoho motorizovaných zařízení. V tomto případě je ztráta elektřiny poměrně patrná a kvalita proudu se výrazně zhoršuje. Instalace kondenzátorů takové problémy úspěšně řeší.

Potřebujete kompenzační zařízení v každodenním životě?

Na první pohled by v domácí síti neměly být velké jalové proudy. Standardní sadě domácích spotřebitelů dominují elektrické spotřebiče s odporovým zatížením:

• rychlovarná konvice (P_f = 1);
• žárovky (str_f = 1);
• elektrický sporák (P_f = 1) a další topná zařízení;

Účiníky moderních domácích spotřebičů, jako je TV, počítač atd. se blíží 1. Lze je zanedbat.

Ale pokud jde o lednici (P_f = 0,65), pračka a mikrovlnná trouba, pak již stojí za zvážení instalace synchronních kompenzátorů. Pokud často používáte elektrické nářadí, svářečku nebo máte doma puštěné elektrické čerpadlo, pak je instalace kompenzačního zařízení více než žádoucí.

Ekonomický efekt instalace takových zařízení výrazně ovlivní váš rodinný rozpočet. Měsíčně můžete ušetřit asi 15 % finančních prostředků. Souhlasíte, není to tak málo, vzhledem k tomu, že tarify nejsou elektřina.

Cestou budete řešit následující otázky:

• snížení zatížení indukčních prvků a vedení;
• zlepšení kvality proudu, což přispívá ke stabilnímu provozu elektronických zařízení;
• snížení úrovně vyšších harmonických v domácí síti.

Aby proud a napětí fungovaly ve fázi, kompenzační zařízení by měla být umístěna co nejblíže k proudovým spotřebitelům. Pak bude reálná návratnost indukčních elektrických přijímačů nabývat maximálních hodnot.

Činný a jalový výkon jsou spotřebiteli elektrické energie k tomu a spotřebiteli, aby tuto energii spotřebovali. Spotřebitel se zajímá o energii, jejíž spotřeba je pro něj prospěšná, tuto energii lze nazvat užitečnou, ale v elektrotechnice se běžně nazývá aktivní. Jedná se o energii, která se používá k vytápění místností, vaření jídla, výrobě chladu a přeměňuje se na mechanickou energii (pro provoz elektrických vrtaček, vrtacích kladiv, elektrických čerpadel atd.).

Kromě činné elektřiny existuje i elektřina jalová. To je ta část celkové energie, která není vynaložena na užitečnou práci. Jak je z výše uvedeného zřejmé, zdánlivý výkon je činný a jalový výkon jako celek.

Aktivní a jalový výkon

Z hlediska činného a jalového výkonu se střetávají protichůdné zájmy odběratelů elektrické energie a jejích dodavatelů. Pro spotřebitele je výhodné platit pouze za jím spotřebovanou užitečnou elektřinu, pro dodavatele je výhodné přijímat platbu za množství činné a jalové elektřiny. Lze tyto zdánlivě protichůdné požadavky skloubit? Ano, pokud snížíte množství jalové elektřiny na nulu.

Aktivní výkon

Existují spotřebitelé elektřiny, u kterých je celkový a činný výkon stejný. Jedná se o spotřebiče, jejichž zátěž představují aktivní odpory (rezistory). Mezi domácími elektrickými spotřebiči jsou příklady takového zatížení žárovky, elektrické sporáky, trouby a trouby, ohřívače, žehličky, páječky atd.

U těchto zařízení je uvedeno v pasu, současně je aktivní a jalový výkon. To je případ, kdy lze výkon zátěže určit podle vzorce známého ze školního kurzu fyziky vynásobením zátěžového proudu napětím sítě. Proud se měří v ampérech (A), napětí ve voltech (V), výkon ve wattech (W). Hořák elektrického sporáku v síti s napětím 220 V při proudu 4,5 A spotřebovává energii 4,5 x 220 u990d XNUMX (W).

Reaktivní síla

Někdy při procházce po ulici můžete vidět, že okna balkonů jsou zevnitř pokryta lesklým tenkým filmem. Tato fólie byla odstraněna z vadných elektrických kondenzátorů instalovaných pro určité účely v distribučních rozvodnách zásobujících výkonné spotřebiče elektrické energie. Kondenzátor je typickým spotřebičem jalového výkonu. Na rozdíl od aktivních spotřebičů energie, kde je hlavním konstrukčním prvkem určitý vodivý materiál (wolframový vodič v žárovkách, nichromová spirála v elektrickém sporáku atd.). V kondenzátoru je hlavním prvkem nevodivé dielektrikum (tenký polymerní film nebo papír nasáklý olejem).

Jalový kapacitní výkon

Krásné lesklé filmy, které jste viděli na balkóně, jsou kondenzátorové desky vyrobené z vodivého tenkého materiálu. Kondenzátor je pozoruhodný tím, že dokáže akumulovat elektrickou energii a pak ji rozdávat – jakousi takovou baterii. Pokud zapnete kondenzátor ve stejnosměrné síti, nabije se krátkým proudovým impulsem a pak jím neprotéká žádný proud. Kondenzátor můžete vrátit do původního stavu odpojením od zdroje napětí a připojením zátěže k jeho deskám. Po nějakou dobu bude zátěží protékat elektrický proud a ideální kondenzátor dodá zátěži přesně tolik elektrické energie, jako ji přijal při nabíjení. Žárovka připojená ke svorkám kondenzátoru může krátkodobě zablikat, elektrický odpor se zahřeje a neopatrná osoba může být „otřesena“ nebo dokonce usmrcena, pokud je na svorkách dostatečné napětí a množství akumulované elektřiny. .

Zajímavý obrázek získáme, když je kondenzátor připojen ke zdroji střídavého elektrického napětí. Protože polarita a okamžitá hodnota napětí se u zdroje střídavého napětí neustále mění (v domácí elektrické síti podle zákona blízkého sinusovému). Kondenzátor se bude neustále nabíjet a vybíjet a neustále jím bude protékat střídavý proud. Tento proud ale nebude ve fázi s napětím zdroje střídavého napětí, ale povede ho o 90°, tzn. za čtvrtletí.

To povede k tomu, že celkově kondenzátor spotřebuje energii ze sítě po polovinu periody střídavého napětí a polovinu periody odevzdá, přičemž celkový spotřebovaný činný elektrický výkon je nulový. Protože však kondenzátorem protéká významný proud, který lze měřit ampérmetrem, je obvyklé říkat, že kondenzátor je spotřebitelem jalové elektrické energie.

Jalový výkon se vypočítá jako součin proudu a napětí, ale jednotkou měření již nejsou watty, ale jalový voltampér (VAr). Takže přes elektrický kondenzátor 220 μF připojený k síti 50 V protéká proud asi 4 A. To znamená, že kondenzátor spotřebuje 0,3 x 0,3 u220d 66 (VAr) jalový výkon – srovnatelný s výkonem průměrné žárovky , ale kondenzátor na rozdíl od lampy nesvítí a nezahřívá se.

Jalový indukční výkon

Pokud proud vede k napětí v kondenzátoru, existují spotřebiče, kde proud zaostává za napětím? Ano, a takoví spotřebitelé, na rozdíl od kapacitních spotřebitelů, se nazývají indukční, zatímco zůstávají spotřebiteli reaktivní energie. Typickou indukční elektrickou zátěží je cívka s určitým počtem závitů vysoce vodivého drátu navinutá kolem uzavřeného jádra ze speciálního magnetického materiálu.

V praxi je dobrou aproximací čistě indukční zátěže nezatížený transformátor (nebo regulátor napětí s autotransformátorem). Dobře navržený transformátor naprázdno spotřebovává velmi málo činného výkonu, spotřebovává převážně jalový výkon.

Skuteční spotřebitelé elektrické energie a celkový elektrický výkon

Z uvažování charakteristik kapacitních a indukčních zátěží vyvstává zajímavá otázka – co se stane, když jsou kapacitní a indukční zátěže připojeny současně a paralelně. V důsledku jejich opačné odezvy na aplikované napětí se tyto dvě odezvy začnou vzájemně rušit. Celková zátěž bude pouze kapacitní nebo indukční a v nějakém ideálním případě bude možné dosáhnout plné kompenzace. Bude to vypadat paradoxně – připojené ampérmetry budou zaznamenávat významné (a stejné!) Proudy přes kondenzátor a induktor a úplnou absenci proudu ve společném obvodu, který je spojuje. Popsaný obrázek je poněkud narušen pouze tím, že neexistují žádné ideální kondenzátory a induktory, ale taková idealizace pomáhá pochopit podstatu probíhajících procesů.

Vraťme se ke skutečným spotřebitelům elektrické energie. V každodenním životě používáme především spotřebiče čistě činného výkonu (příklady jsou uvedeny výše) a smíšeného činno-indukčního. Jedná se o elektrické vrtačky, vrtací kladiva, elektromotory ledniček, praček a dalších domácích spotřebičů. Patří sem také elektrické transformátory pro napájení domácích radioelektronických zařízení a stabilizátory napětí. V případě takto smíšené zátěže spotřebovává zátěž kromě činného (užitného) výkonu i jalový výkon, v důsledku čehož selže plný výkon více než činný. Zdánlivý výkon se měří ve voltampérech (VA) a je vždy součinem zátěžového proudu a zátěžového napětí.

Tajemný “cosine phi”

Poměr činného výkonu k celkovému výkonu se v elektrotechnice nazývá “kosinus fí”. Označuje se cos φ. Tento poměr se také nazývá účiník. Je snadné vidět, že pro případ čistě aktivní zátěže, kde se celkový výkon shoduje s aktivním, cos φ = 1. Pro případy čistě kapacitních nebo indukčních zátěží, kde je činný výkon roven nule, cos φ = 0.

V případě smíšené zátěže se hodnota účiníku pohybuje v rozmezí od 0 do 1. U domácích spotřebičů se obvykle pohybuje v rozmezí 0,5-0,9. V průměru ji lze považovat za rovnou 0,7, přesnější hodnota je uvedena v pasu elektrického spotřebiče.

za co platíme?

A nakonec nejzajímavější otázkou je, za jaký typ energie spotřebitel platí. Vzhledem k tomu, že jalová složka celkové energie nepřináší spotřebiteli žádný užitek, zatímco jalová energie je spotřebována za zlomek období a část se rozdává, není třeba platit za jalový výkon. Ale ďábel, jak víte, spočívá v detailech. Vzhledem k tomu, že smíšená zátěž zvyšuje proud v síti, vznikají v elektrárnách, kde je elektřina vyráběna synchronními generátory, problémy, konkrétně: indukční zátěž „debuzuje“ generátor a jeho uvedení do předchozího stavu stojí již skutečný činný výkon. pro jeho „přebuzení“.

Je tedy celkem spravedlivé nutit spotřebitele platit za spotřebovaný jalový indukční výkon. To podněcuje spotřebitele, aby kompenzoval jalovou složku své zátěže, a protože tato složka je převážně induktivní, kompenzace spočívá v připojení kondenzátorů s předem vypočítanou kapacitou.

Spotřebitel najde příležitost zaplatit méně

Pokud spotřebitel platí odděleně spotřebovaný činný a jalový výkon. Je připraven vynaložit dodatečné náklady a instalovat kondenzátorové banky ve svém podniku, zapnuté přesně podle plánu, v závislosti na průměrné statistiky spotřeby elektřiny v hodinách dne.

V podniku je také možné instalovat speciální zařízení (kompenzátory jalového výkonu), které automaticky připojují kondenzátory v závislosti na velikosti a povaze aktuálně spotřebovaného výkonu. Tyto kompenzátory umožňují zvýšit hodnotu účiníku z 0,6 na 0,97, tzn. téměř k jednotě.

Je rovněž akceptováno, že pokud poměr spotřebované jalové energie k celkovému nepřesáhne 0,15, pak je podnikový spotřebitel osvobozen od placení jalové energie.

Pokud jde o jednotlivé spotřebitele, vzhledem k relativně nízkému odběru elektřiny není zvykem rozdělovat účty za úhradu spotřebované elektřiny na aktivní a jalové. Jednofázové elektroměry pro domácnost berou v úvahu pouze činný výkon elektrické zátěže a je na něj vystavena faktura. Tito. v současné době není ani technická možnost fakturovat jednotlivému spotřebiteli spotřebovaný jalový výkon.

Spotřebitel nemá žádné zvláštní pobídky ke kompenzaci induktivní složky zátěže, což je technicky obtížné realizovat. Trvale připojené kondenzátory zbytečně zatěžují napájecí vedení při odpojení indukční zátěže. Za elektroměrem (také před elektroměrem, ale spotřebitel za to neplatí), což způsobí aktivní spotřebu energie s odpovídajícím zvýšením účtu za platbu, a automatické kompenzátory jsou drahé a je nepravděpodobné, že by ospravedlnily náklady jejich nákupu.

Další věcí je, že výrobce někdy instaluje na vstup spotřebitelů kompenzační kondenzátory s indukční složkou zátěže. Tyto kondenzátory při správném výběru poněkud sníží energetické ztráty v přívodních vodičích a zároveň mírně zvýší napětí na připojeném elektrickém spotřebiči snížením úbytku napětí na přívodních vodičích.

Ale co je nejdůležitější, kompenzace jalové energie pro každého spotřebitele, od bytu po velký podnik, sníží proudy ve všech elektrických vedeních, od elektrárny po bytový štít. Díky reaktivní složce plného proudu, která sníží energetické ztráty ve vedení a zvýší účinnost elektrických systémů.