Понятие активной, реактивной и полной мощности

Мгновенная мощность, выделяющаяся на элементах сети, определяется через мгновенные значения тока и напряжения:

р = u ∙ i.

Наличие сдвига по фазе между синусоидами тока и напряжения обусловливает необходимость введения понятий реактивной и полной мощности.

Если цепь чисто активная (φ = 0), то графическое перемножение синусоид тока и напряжения даст нам однополярный сигнал – рис. 1.5. В любой момент времени мощность больше либо равна нулю. Эта ситуация соответствует максимально эффективному (то есть активному) потреблению электроэнергии, которая необратимо и однонаправленно выделяется на активных элементах сети и не возвращается в источник. Эта мощность получила название активной, обозначается Р и измеряется в ваттах (Вт).

Рис. 1.5. Изменение токов, напряжений (а) и мощности (б)

при чисто активной нагрузке (φ = 0)

Если цепь имеет активно-индуктивный характер (0 < φ < 90°), то результат перемножения будет представлять собой синусоиду, поднятую относительно оси абсцисс и имеющую как положительную, так и отрицательную части – рис. 1.6.

Рис. 1.6. Изменение токов, напряжений (а) и мощности (б)

при активно-индуктивной нагрузке (0 < φ < 90°)

Будем далее увеличивать угол φ. Когда угол достигнет 90°, получим следующий график p(t) – рис. 1.7. Среднее значение мощности за период равно нулю. Эта ситуация соответствует наиболее неэффективному (то есть неактивному или реактивному) характеру потребления электроэнергии, которая первые полпериода потребляется приёмником, а вторые полпериода возвращается обратно в источник. Эта обменная мощность получила название реактивной, обозначается Q и измеряется в варах (вар).

Рис. 1.7. Изменение токов, напряжений (а) и мощности (б)

при чисто индуктивной нагрузке (φ = 90°)

На рис. 1.5, 1.7 рассмотрены крайние идеальные случаи, а на рис. 1.6 – промежуточная ситуация, в которой можно выделить активную и реактивную составляющие, а также величину, характеризующую их совместное действие – полную мощность S, измеряемую в вольт-амперах (ВА). Полученные три вида мощности образуют треугольник мощностей – рис. 1.8, из которого следует выражение:

S = .

Рис. 1.8. Треугольник мощностей

Угол φ между векторами активной и полной мощностей имеет тот же смысл, что и на рис. 1.4, относящемся к сопротивлениям. Коэффициентом мощности cosφ тем больше и тем ближе к единице, чем более активный характер имеет электрическая цепь.

Понятие реактивной мощности имеет особое значение в электроэнергетике. Актуальной является проблема регулирования и компенсации реактивной мощности в энергосистеме. Реактивная мощность является необходимым условием для создания магнитного поля в электрических машинах. Заметим, что в отличие от активной мощности, на создание реактивной мощности не расходуется топливо. Важно помнить, что реактивная мощность, протекающая по проводникам, приводит к активным тепловым потерям. Поэтому реактивную мощность целесообразно производить не на электростанции, а вблизи потребителя. В противном случае, реактивная мощность будет транспортироваться на большое расстояние, приводя к экономическому ущербу в виде необратимых потерь и ограничивая пропускную способность линий для передачи полезной активной мощности. Кроме того, неоправданно большие перетоки реактивной мощности приводят к падению напряжения в узлах потребления электроэнергии. Простейшими источниками реактивной мощности являются конденсаторы.

Кроме того, в ряде случае излишки реактивной мощности требуется потреблять. Если этого не сделать, то повысится уровень напряжения сверх допустимого предела. Такая ситуация может сложиться при использовании длинных линий электропередачи, которые обладают значительной ёмкостью относительно земли и поэтому являются генераторами избыточной реактивной мощности. Чтобы решить данную проблему, применяют простейшие потребители реактивной мощности – шунтирующие реакторы, представляющие собой катушки индуктивности, включенные между проводником и землёй.

Помимо этого используются и другие, более сложные устройства для регулирования реактивной мощности – синхронные компенсаторы и статические тиристорные компенсаторы.