Кезекті ток жүйелерінде қуат және қуат коэффициенті

Кіріспе

Қалмалы ток жүйелеріндегі қуат

Электр тізбегінде, мизгелдік қуат – тізбектің берілген нүктесінен өткен энергия ағынының уақыт бойынша өзгеру жылдамдығы. Қалмалы ток тізбектерінде индукторлар және конденсаторлар сияқты энергия сақтайтын элементтер энергия ағыны бағытын мерзімді түрде кернеуге түсіруі мүмкін. Оның СИ бірлігі – Ватт. Қалмалы ток толқынының толық циклы бойынша орташа есептелгенде, бір бағытта энергияның таза берілуіне әкелетін мизгелдік қуаттың бөлігі мизгелдік белсенді қуат деп аталады, ал оның уақыт бойынша орташасы белсенді қуат немесе нақты қуат деп аталады.

Қуат коэффициенті

Сұлбадағы белсенді қуат пен көрінетін қуаттың арақатынасы қуат коэффициенті деп аталады. Бірдей белсенді қуатты тасымалдайтын екі жүйеде, қуат коэффициенті төмен жүйеде жүктемедегі энергия сақтаудан көзға қайта оралатын энергияға байланысты айналым тогы жоғары болады. Бұл жоғары токтар жоғары шығындарға және жалпы тасымалдау тиімділігінің төмендеуіне әкеледі. Қуат коэффициенті төмен тізбек, бірдей белсенді қуат үшін жоғары көрінетін қуатқа және жоғары шығындарға ие болады. Кернеу мен ток фазада болғанда қуат коэффициенті 1,0-қа тең. Ток кернеуге 90 градусқа алдын жетелегенде немесе артта қалғанда ол нөлге тең болады. Кернеу мен ток 180 градусқа фазадан шыққанда қуат коэффициенті минус бірге тең, ал жүктеме энергия көзіне қуатты қайтарады (мысалы, күн сәулесінде электр желісіне қуат беретін үйдің шатырындағы күн панельдері). Қуат коэффициенттері әдетте кернеуге қатысты токтың фазалық бұрышының таңбасын көрсету үшін "алдын жетелеуші" немесе "артта қалған" деп аталады. Кернеу ток бұрышын салыстыру үшін негіз ретінде қарастырылады, яғни ток кернеуге қарағанда "алдын жетелеуші" немесе "артта қалған" деп есептеледі. Егер толқын формалары таза синусоидальды болса, қуат коэффициенті ток пен кернеу синусоидальды толқын формалары арасындағы фазалық бұрыштың косинусына тең болады. Осы себепті жабдықтардың техникалық сипаттамалары мен табельдерінде қуат коэффициенті жиі қысқартылады. Мысал: Белсенді қуат 700 Вт және кернеу мен ток арасындағы фазалық бұрыш 45,6°. Қуат коэффициенті: Көрінетін қуат: Айныма ток тізбегінде қуаттың таралуының түсінігі мысалмен түсіндіріліп, көрсетілген. Мысалы, 0,68 қуат коэффициенті дегеніміз, берілген токтың (мөлшері бойынша) тек 68 пайызы жұмыс істейді; қалған токтың жүктемеде ешқандай пайдасы жоқ. Қуат коэффициенті энергетика секторының қосалқы станциялары үшін өте маңызды. Ұлттық желіден кіші секторлардың ең төменгі қуат коэффициенті болуы керек. Әйтпесе, көп шығын болады. Көбінесе қажетті көрсеткіштер 0,90-нан 0,96-ға немесе одан да жоғары болады. Қуат коэффициенті жоғары болған сайын шығын аз болады.

The ratio of active power to apparent power in a circuit is called the power factor. For two systems transmitting the same amount of active power, the system with the lower power factor will have higher circulating currents due to energy that returns to the source from energy storage in the load. These higher currents produce higher losses and reduce overall transmission efficiency. A lower power factor circuit will have a higher apparent power and higher losses for the same amount of active power. The power factor is 1.0 when the voltage and current are in phase. It is zero when the current leads or lags the voltage by 90 degrees. When the voltage and current are 180 degrees out of phase, the power factor is negative one, and the load is feeding energy into the source (an example would be a home with solar cells on the roof that feed power into the power grid when the sun is shining). Power factors are usually stated as "leading" or "lagging" to show the sign of the phase angle of current with respect to voltage. Voltage is designated as the base to which current angle is compared, meaning that current is thought of as either "leading" or "lagging" voltage. Where the waveforms are purely sinusoidal, the power factor is the cosine of the phase angle between the current and voltage sinusoidal waveforms. Equipment data sheets and nameplates will often abbreviate power factor as "" for this reason. Example: The active power is 700 W and the phase angle between voltage and current is 45.6°. The power factor is The apparent power is then: The concept of power dissipation in AC circuit is explained and illustrated with the example. For instance, a power factor of 0.68 means that only 68 percent of the total current supplied (in magnitude) is actually doing work; the remaining current does no work at the load. Power Factor is very important in Power sector substations. Form the national grid the sub sectors are required to have minimum amount of power factor. Otherwise there are many loss. Mainly the required vary around 0.90 to 0.96 or more. Better the power factor less the loss.

Реактивті қуат

Тұрақты ток тізбегінде жүктемеге ағынды қуат жүктеме арқылы өтетін ток пен жүктемедегі потенциалдың айырмасының көбейтіндісіне пропорционалды. Конденсатор немесе индуктор салдарынан туындайтын қуат реактивті қуат деп аталады. Бұл индукторлар мен конденсаторлар сияқты элементтердің айнымалы ток табиғатымен байланысты. Энергия көзден жүктемеге бір бағытта ағып өтеді. Айнымалы ток қуатында кернеу мен ток шамамен синусоидалық түрде өзгереді. Тізбекте индуктивтілік немесе сыйымдылық болғанда, кернеу мен ток толқын формалары толық сәйкес келмейді. Қуат ағыны екі компоненттен тұрады: біреуі көзден жүктемеге ағып, жүктемеде жұмыс атқара алады; екіншісі, "реактивті қуат" деп аталатын, кернеу мен ток арасындағы уақытша кешігуден, фазалық бұрыштан туындайды және жүктемеде пайдалы жұмыс істей алмайды. Оны уақытында келмейтін (кешіккен немесе ерте келген) ток ретінде қарастыруға болады. Реактивті қуатты белсенді қуаттан ажырату үшін ол "вольт-ампер реактивті" немесе вар бірліктерінде өлшенеді. Бұл бірліктер ваттқа дейін айналдырылуы мүмкін, бірақ олар нақты жұмыс атқаруды білдірмейтінін көрсету үшін вар ретінде қалдырылады. Желідегі сыйымдылық немесе индуктивті элементтерде сақталған энергия реактивті қуат ағынына себеп болады. Реактивті қуат ағыны желідегі кернеу деңгейіне күшті әсер етеді. Электр жүйесінің қабылданатын шекте жұмыс істеуі үшін кернеу деңгейлері мен реактивті қуат ағыны мұқият бақылануы керек. Реактивті компенсация деп аталатын әдіс, беру желілерінен берілетін реактивті қуатты азайту және оны жергілікті түрде қамтамасыз ету арқылы жүктемеге келетін қуат ағынын азайту үшін қолданылады. Мысалы, индуктивті жүктемені компенсациялау үшін конденсатор жүктемеге жақын орнатылады. Бұл жүктемеге қажетті барлық реактивті қуатты конденсатормен қамтамасыз етуге мүмкіндік береді және оны беру желілері арқылы берудің қажеті болмайды. Бұл практика энергияны үнемдейді, өйткені бірдей жұмысты атқару үшін коммуналдық қызметтер өндіретін энергия мөлшерін азайтады. Сонымен қатар, бұл кішігірім өткізгіштерді немесе аздаған шоғырланған өткізгіштерді пайдалана отырып, беру желілерінің тиімді дизайнын жасауға және беру мұнараларының дизайнын оңтайландыруға мүмкіндік береді.

In a direct current circuit, the power flowing to the load is proportional to the product of the current through the load and the potential drop across the load. The power that happens because of a capacitor or inductor is called reactive power. It happens because of the AC nature of elements like inductors and capacitors. Energy flows in one direction from the source to the load. In AC power, the voltage and current both vary approximately sinusoidally. When there is inductance or capacitance in the circuit, the voltage and current waveforms do not line up perfectly. The power flow has two components – one component flows from source to load and can perform work at the load; the other portion, known as "reactive power", is due to the delay between voltage and current, known as phase angle, and cannot do useful work at the load. It can be thought of as current that is arriving at the wrong time (too late or too early). To distinguish reactive power from active power, it is measured in units of "volt amperes reactive", or var. These units can simplify to watts but are left as var to denote that they represent no actual work output. Energy stored in capacitive or inductive elements of the network gives rise to reactive power flow. Reactive power flow strongly influences the voltage levels across the network. Voltage levels and reactive power flow must be carefully controlled to allow a power system to be operated within acceptable limits. A technique known as reactive compensation is used to reduce apparent power flow to a load by reducing reactive power supplied from transmission lines and providing it locally. For example, to compensate an inductive load, a shunt capacitor is installed close to the load itself. This allows all reactive power needed by the load to be supplied by the capacitor and not have to be transferred over the transmission lines. This practice saves energy because it reduces the amount of energy that is required to be produced by the utility to do the same amount of work. Additionally, it allows for more efficient transmission line designs using smaller conductors or fewer bundled conductors and optimizing the design of transmission towers.

Капацитивті және индуктивті жүктемелер

Жүктеме құрылғысының, мысалы, қозғалтқыш немесе конденсатордың магниттік немесе электр өрісінде сақталған энергия ток пен кернеу толқын формалары арасында айырмашылық тудырады. Конденсатор – энергияны электр өрісі түрінде сақтайтын құрылғы. Конденсатор арқылы ток өткенде, зарядтың жиналуы конденсатордың бойында қарсы кернеудің пайда болуына себеп болады. Бұл кернеу конденсатордың құрылымымен анықталатын ең жоғары мәнге дейін өседі. Айнымалы ток желісінде конденсатордағы кернеу үнемі өзгереді. Конденсатор бұл өзгеріске қарсы тұрады, нәтижесінде ток кернеуге қарағанда фаза бойынша озып кетеді. Конденсаторлар реактивті қуатты "берді" деп айтылады, сондай-ақ жетекші қуат факторын тудырады. Индукциялық машиналар – бүгінгі электр жүйесіндегі ең көп таралған жүктеме түрлерінің бірі. Бұл машиналар индукторларды, яғни үлкен сым орамдарын магнит өрісінде энергияны сақтау үшін пайдаланады. Кернеу алғаш рет орамға қосылғанда, индуктор ток пен магнит өрісінің өзгеруіне қарсы келеді, бұл токтың ең жоғары мәніне жетуіне уақыт кешігуіне әкеледі. Бұл ток кернеуден фаза бойынша қалып қояды. Индукторлар реактивті қуатты "қабылдайды" деп айтылады, сондай-ақ қуат факторын қалыптастырады. Индукциялық генераторлар реактивті қуатты бере де, қабылдай да алады, соның ішінде жүйе операторларына реактивті қуат ағыны мен кернеуді басқару мүмкіндігін ұсынады. Аталған құрылғылар кернеу мен ток арасындағы фазалық бұрышқа қарама-қарсы әсер ететіндіктен, оларды бір-бірінің әсерін "нейтралдау" үшін қолдануға болады. Әдетте, бұл индукциялық қозғалтқыштардың тудырған қуат факторының қалыптасуын тежеу үшін конденсаторлық батареялардың қолданылуын қамтиды.

Реактивті қуатты басқару

Трансмиссияға қосылған генераторлар, әдетте, реактивті қуат ағынын қолдау үшін қажет. Мысалы, Ұлыбританияның электр беру жүйесінде генераторлардан Желілік Кодекс талаптары бойынша, 0,85 кері қуат коэффициенті және 0,90 алға қуат коэффициенті шегінде белгіленген терминалдарда номиналды қуатты беру талап етіледі. Жүйе операторы қауіпсіз және экономикалық кернеу профилін сақтап, реактивті қуат теңгерімінің теңдеуін сақтау үшін коммутациялық шаралар жасайды: "Жүйелік пайда" – жоғарыдағы қуат теңгерімінің теңдеуіндегі реактивті қуаттың маңызды көзі, ол беру желісінің сыйымдылық қасиеттерінен туындайды. Таңертеңгі уақытта, жүктеме артудан бұрын, шешуші коммутациялық шаралар арқылы жүйелік пайда ертерек максималды деңгейге жеткізілуі мүмкін, бұл күндік жүйе қауіпсіздігін қамтамасыз етуге көмектеседі. Теңдеуді теңгерілеу үшін ақаулықтарға дейін реактивті генераторларды қолдану қажет болады. Реактивті қуаттың басқа көздеріне шунт конденсаторлары, шунт реакторлары, статикалық VAR компенсаторлары және кернеуді басқару тізбектері жатады.

Көп жиілікті жүйелер

Кез келген толқын пішіні үшін RMS мәнін есептеуге болатындықтан, көрінетін қуатты осыдан есептеуге болады. Активті қуат үшін бастапқыда көптеген көбейтінділерді есептеп, олардың барлығын орташалау қажет сияқты көрінеді. Алайда, осы көбейтінділердің біреуін егжей-тегжейлі қарастыру өте қызықты нәтиже береді. Бірақ, ω нөлден өзгеше болғанда, cos(ωt + k) түріндегі функцияның уақыт бойынша орташасы нөлге тең болады. Демек, нөлден өзгеше орташа мәні бар көбейтінділер кернеу мен ток жиіліктері сәйкес келгенде ғана болады. Басқаша айтқанда, әр жиілікті жеке қарастырып, нәтижелерді қосу арқылы активті (орташа) қуатты есептеуге болады. Сонымен қатар, егер желілік кернеу бір жиілікті деп есептелсе (әдетте солай болады), бұл гармоникалық тоқтардың зиянды екенін көрсетеді. Олар RMS тогын арттырады (нөлден өзгеше мүшелер қосылғандықтан), демек көрінетін қуатты арттырады, бірақ берілетін активті қуатқа әсер етпейді. Сондықтан, гармоникалық тоқтар қуат коэффициентін төмендетеді. Гармоникалық тоқтарды құрылғының кіреберісінде орналасқан сүзгі арқылы азайтуға болады. Әдетте, бұл тек конденсатордан (желінің паразиттік кедергісі мен индуктивтілігіне сүйене отырып) немесе конденсатор-индуктор тізбегінен тұрады. Кірістегі активті қуат коэффициентін түзету схемасы гармоникалық тоқтарды одан әрі азайтып, қуат коэффициентін бірлікке жақындата алады.