כוח פעיל, תגובתי ולכאורה: נוסחה, מדידה, אופן מדידת האינדיקטורים

חשמל הוא גורם חשוב בהערכת הביצועים של ציוד חשמלי ברשת חשמל. השימוש בערכי הגבול שלו יכול להוביל לעומסי יתר של הרשת, מצבי חירום וכשל בציוד. על מנת להגן על עצמך מההשלכות השליליות הללו, יש צורך להבין מהו כוח תגובתי ולכאורה.

קביעת כוח

ההספק שנצרך או נעשה בו שימוש בפועל במעגל AC נקרא הספק אקטיבי, ב-kW או MW. כוח שמשנה כיוון ונע כל הזמן, גם בכיוון המעגל וגם מגיב לעצמו, נקרא תגובתי, בקילו-וולט (kVAR) או MVAR.

ברור, כוח נצרך רק עם התנגדות. משרן נקי וקבל נקי אינם צורכים אותו.

במעגל התנגדות טהור, הזרם נמצא בפאזה עם המתח המופעל, בעוד באינדוקטיבי טהור מעגל קיבולי, הזרם נעקר ב-90 מעלות: אם עומס אינדוקטיבי מחובר לרשת, הוא מאבד מתח ב-90 מעלות. כאשר עומס קיבולי מחובר, הזרם מוסט ב-90 מעלות בכיוון ההפוך.

במקרה הראשון נוצר כוח פעיל, ובשני כוח תגובתי.

משולש כוח

כוח לכאורה הוא הסכום הווקטור של כוח פעיל ותגובתי. רכיבי כוח מלאים:

• פעיל, פ.
• ריאקטיבי, ש.
• השלם, ש.

כוח תגובתי אינו פועל, הוא מיוצג כציר דמיוני של דיאגרמת וקטור. כוח פעיל עובד והוא הצלע האמיתית של המשולש. מעיקרון זה של פירוק כוח, ברור במה נמדד ההספק הפעיל. היחידה לכל סוגי ההספק היא וואט (W), אך ייעוד זה מוקצה בדרך כלל לרכיב הפעיל. כוח לכאורה מתבטא באופן קונבנציונלי ב-VA.

היחידה עבור רכיב Q מבוטאת כ-var, התואמת וולט-אמפר תגובתי. הוא אינו מעביר כל אנרגיה נקייה לעומס, אולם הוא מבצע תפקיד חשוב ברשתות חשמל. הקשר המתמטי ביניהם יכול להיות מיוצג על ידי וקטורים או לבטא באמצעות מספרים מרוכבים, S = P + j Q (כאשר j היא היחידה הדמיונית).

חישוב אנרגיה וכוח

ההספק הממוצע P בוואט (W) שווה לאנרגיה הנצרכת על ידי E בג'אול (J) חלקי התקופה t בשניות (שניות): פ (W) = ה (J) / Δ ט (ס).

כאשר הזרם והמתח נמצאים ב-180 מעלות מחוץ לפאזה, PF שלילי, העומס מספק כוח ל מקור (דוגמה תהיה בית עם פאנלים סולאריים על הגג שמספקים חשמל מערכת כוח). דוגמא:

• P הוא 700W וזווית הפאזה היא 45.6;
• PF הוא cos (45, 6) = 0.700. אז S = 700 W / cos (45, 6) = 1000 V⋅A.

היחס בין כוח פעיל להספק לכאורה נקרא גורם כוח (PF). עבור שתי מערכות הנושאות את אותה כמות של עומס התנגדות, למערכת עם ה-PF התחתון יהיו זרמי מחזור גבוהים יותר עקב הזנת החשמל. זרמים גבוהים אלו יוצרים הפסדים גבוהים ומפחיתים את יעילות ההולכה הכוללת. למעגל עם PF נמוך יותר יהיה עומס כולל גבוה יותר והפסדים גבוהים יותר עבור אותה כמות עומס התנגדות. PF = 1, 0 כאשר יש זרם פאזה. הוא אפס כאשר הזרם מוביל או מפגר את המתח ב-90 מעלות.

לדוגמה, PF = 0.68 פירושו שרק 68 אחוז מסך הזרם המסופק אכן מבצע עבודה, 32 האחוזים הנותרים הם תגובתיים. ספקי שירות אינם מחייבים את הצרכנים עבור הפסדי הסילון שלהם. עם זאת, אם יש חוסר יעילות במקור העומס של הלקוח שגורם ל-PF לרדת מתחת לרמה מסוימת, שירותים השירותים עשויים לגבות מלקוחות כדי לכסות עלייה בצריכת הדלק של תחנות כוח וירידה בביצועי הקו רשתות.

מאפייני S מלאים

הנוסחה לעוצמה הנראית תלויה בהספק הפעיל והתגובתי והיא מיוצגת כמשולש אנרגיה (משפט פיתגורס). S = (Q 2 + P 2) 1/2, כאשר:

• S = מלא (נמדד בקילו-וולט-אמפר, kVA);
• Q = תגובתי (תגובתיות בקילוולט, kVAR);
• P = פעיל (קילווואט, קילוואט).

הוא נמדד בוולט-אמפר (VA) ותלוי במתח כפול סך הזרם הנכנס. זהו הסכום הווקטורי של רכיבי P ו-Q, שאומר לך כיצד למצוא את הקרדינליות הכוללת. רשת חד פאזית: V (V) = אני (א) x ר (Ω).

פ (W) = V (V) x אני (א) = V ² (V) / ר (Ω) = אני ² (א) x ר (Ω).

רשת תלת פאזית:

המתח V בוולט (V) שווה ערך לזרם I באמפר (A) כפול העכבה Z באוהם (Ω):

V (V) = אני (א) x ז (Ω) = (|אני| איקס |ז |) ∠ ( θאני + θז ).

ס (VA) = V (V) x אני (א) = (|V| איקס |אני |) ∠ ( θV — θאני ).

פעיל פ

זהו הכוח המשמש להפעלה, החלק הפעיל שלו, נמדד בוואטים, הוא הכוח הנצרך מההתנגדות החשמלית של המערכת. פ (W) = V (V) x אני (א) x cos φ

תגובתי ש

זה לא משמש לרשת. Q נמדד בוולט-אמפר (VAR). עלייה בערכים אלו מובילה לירידה בגורם ההספק (PF). ש (VAR) = V (V) x אני (א) x חטא φ.

גורם יעילות רשת

PF נקבע לפי הגדלים של P ו-S, הוא מחושב לפי משפט פיתגורס. הקוסינוס של הזווית בין מתח לזרם (זווית לא סינוסואידלית), דיאגרמת הפאזות של המתח או הזרם ממשולש האנרגיה נחשבים. מקדם PF שווה לערך המוחלט של הקוסינוס של זווית שלב האנרגיה המורכבת (φ): PF = | חַסַת עָלִיםφ | יעילות מערכת החשמל תלויה במקדם PF ויש צורך להגדילו על מנת להגביר את יעילות השימוש במערכת החשמל.

עומסים קיבוליים ואינדוקטיביים

האנרגיה המאוחסנת בשדות חשמליים ומגנטיים בתנאי עומס, כמו מנוע או קבל, גורמת להטיה בין מתח לזרם. כאשר זרם זורם דרך הקבל, הצטברות המטען גורמת למתח הנגדי להתפתח על פניו. מתח זה עולה למקסימום מסוים, המוכתב על ידי מבנה הקבל. ברשת עם זרם חילופין, המתח על פני הקבל משתנה כל הזמן. אומרים שהקבלים הם מקור לאובדן תגובתי ובכך גורמים ל-PF מוביל.

מכונות אינדוקציה הן בין סוגי העומסים הנפוצים ביותר במערכת החשמל. מכונות אלו משתמשות במשרנים או בסלילי תיל גדולים כדי לאחסן אנרגיה בצורה של שדה מגנטי. כאשר המתח עובר לראשונה דרך הסליל, המשרן מתנגד מאוד לשינוי הזה בזרם ובשדה המגנטי, מה שיוצר השהיית זמן עם ערך מקסימלי. זה מוביל לעובדה שהזרם מפגר מאחורי המתח בשלב.

משרנים סופגים Q ולכן גורמים ל-PF בפיגור. מחוללי אינדוקציה יכולים לספק או לספוג Q ולספק מדד של Q ובקרת מתח למפעילי המערכת. מכיוון שלמכשירים אלו יש השפעה הפוכה על זווית הפאזה בין מתח לזרם, ניתן להשתמש בהם כדי לבטל את ההשפעות של זה. זה בדרך כלל לובש צורה של בנקים של קבלים המשמשים כדי לנטרל PFs בפיגור שנגרמו על ידי מנועי אינדוקציה.

שיכוך השפעה תגובתית ברשתות חשמל

כוח תגובתי ונראה לעין קובע את PF כגורם העיקרי להערכת יעילות השימוש בחשמל ברשת החשמל. אם ה-PF גבוה, אז ניתן לומר שמשתמשים בחשמל בצורה יעילה יותר במערכת החשמל. ככל שה-PF גרוע או יורד, יעילות ההספק של מערכת החשמל יורדת. PF נמוך או ירידה בו נובע מסיבות שונות. ישנן שיטות תיקון מיוחדות להגדלת PF.

השימוש בקבלים הוא הדרך הטובה והיעילה ביותר לשיפור יעילות הרשת. טכניקה המכונה פיצוי תגובתי משמשת להפחתת זרימת הכוח הנראית לעומס על ידי הפחתת הפסדים תגובתיים. לדוגמה, כדי לפצות על עומס אינדוקטיבי, קבל shunt מותקן קרוב לעומס עצמו. זה מאפשר לקבל לצרוך את כל ה-Q ולא לשדר אותם על קווי ההולכה.

תרגול זה חוסך באנרגיה מכיוון שהוא מפחית את כמות האנרגיה הנדרשת כדי לבצע את אותה כמות עבודה. בנוסף, זה מאפשר עיצובים יעילים יותר של קווי תמסורת באמצעות פחות מוליכים או פחות מוליכים עם מחברים ולייעל את עיצוב השידור מגדלים.

לשמור על המתח בטווח האופטימלי ולמנוע תופעות חוסר יציבות, במיקומים אופטימליים ברחבי הרשת מערכות חשמל, מכשירים שונים לבקרת פאזה מותקנים, ושיטות שונות של תגובתי הַנהָלָה.

המערכת המוצעת מחלקת את השיטה המסורתית לבקרת מתח ו-Q:

• בקרת מתח כדי לווסת את המתח של האוטובוס המשני של תחנות משנה;
• ויסות Q לוויסות מתח האוטובוס הראשי.

במערכת זו מותקנים בתחנות משנה שני סוגי מכשירים לאינטראקציה של בקרת מתח ובקרת Q.

בקרת מתח והספק תגובתי

אלו שני היבטים של אותה השפעה השומרים על אמינות ומקלים על עסקאות מסחריות ברשתות ההולכה. במערכת חשמל זרם חילופין (AC), המתח נשלט על ידי שליטה על הייצור והקליטה של ​​Q. ישנן שלוש סיבות מדוע יש צורך בשליטה מסוג זה:

1. ציוד מערכת החשמל מתוכנן לפעול על פני טווח מתח, בדרך כלל ± 5% מהמתח הנקוב. במתח נמוך, הציוד עובד גרוע, נורות מספקות פחות תאורה, אסינכרונית מנועים עלולים להתחמם יתר על המידה ולהינזק, וחלק מהמכשירים האלקטרוניים לא יפעלו בדרך כלל. מתחים גבוהים עלולים לפגוע בציוד ולקצר את חיי השירות שלו.
2. Q צורך משאבי העברה וייצור. כדי למקסם את ההספק האמיתי שניתן להעביר דרך ממשק השידור הצפוף, יש למזער את זרימות ה-Q. כמו כן, הפקת Q יכולה להגביל את ההספק האמיתי של הגנרטור.
3. תגובתיות המניע ברשת ההולכה גורמת להפסדי חשמל אמיתיים. כדי לפצות על ההפסדים הללו, יש לפצות על כוח ואנרגיה.

מערכת ההולכה היא צרכן Q לא ליניארי בהתאם לעומס המערכת. בעומס נמוך מאוד המערכת מייצרת Q להיספג, ובעומס רב המערכת שואבת כמות גדולה של Q שיש להחליף. דרישות מערכת Q תלויות גם בתצורת הייצור והתמסורת. כתוצאה מכך, דרישות תגובתיות של המערכת משתנות עם הזמן ככל שרמות העומס ודפוסי העומס והייצור משתנים.

לפעולת המערכת יש שלוש מטרות לשליטה ב-Q ובמתחים:

1. עליו לשמור על מתח מספיק בכל מערכת ההולכה וההפצה עבור תנאים נוכחיים ובלתי צפויים כאחד.
2. ודא שעומס יתר של זרימות אנרגיה אמיתיות ממוזער.
3. השתדלו למזער את הפסדי החשמל האמיתיים.

מערכת אנרגיה נפחית מורכבת מחלקי ציוד רבים, שכל אחד מהם יכול להיות פגום. לפיכך, המערכת מתוכננת לעמוד בכשל של ציוד בודד תוך המשך פעילות לטובת הצרכנים. זו הסיבה שמערכת החשמל דורשת עתודות כוח אמיתיות כדי להגיב למקריות ולשמור על עתודות Q.