Что такое реактивная мощность и коэффициент мощности (cos φ)

При выборе электрического оборудования можно встретить разные единицы измерения мощности. Мощность бытовых приборов обычно указывается в киловаттах (кВт), а характеристики генераторов, трансформаторов, источников бесперебойного питания и стабилизаторов напряжения — в киловольт-амперах (кВА).

Причина этой разницы связана с особенностями работы цепей переменного тока. В таких системах существует не только активная мощность, которая выполняет полезную работу, но и реактивная мощность, связанная с процессами создания электромагнитных полей.

Именно реактивная составляющая объясняет, почему оборудование с одинаковой активной мощностью может создавать разную нагрузку на электрическую сеть, почему генераторы и трансформаторы рассчитывают в кВА и зачем при выборе оборудования учитывают коэффициент мощности cos φ.

Какие виды мощности существуют в цепях переменного тока

В электротехнике принято различать три вида мощности:

• активную;
• реактивную;
• полную.

Они описывают разные стороны одного процесса передачи электрической энергии.

Активная мощность (P)

Активная мощность — это часть электрической мощности, которая преобразуется в полезный результат.

Она используется для:

• вращения электродвигателей;
• нагрева ТЭНов;
• работы осветительных приборов;
• питания электронных устройств;
• выполнения других видов полезной работы.

Измеряется в киловаттах (кВт).

Именно активная мощность показывает, сколько энергии оборудование фактически потребляет и преобразует в другой вид энергии.

Реактивная мощность (Q)

Реактивная мощность возникает в электрических цепях с индуктивными или емкостными элементами.

В большинстве промышленного оборудования основным источником реактивной мощности являются индуктивные нагрузки:

• электродвигатели;
• трансформаторы;
• дроссели;
• электромагниты;
• контакторы.

Она связана с процессами накопления энергии в магнитном поле и ее последующего возврата в электрическую сеть.

Реактивная мощность не превращается непосредственно в механическую работу, тепло или свет, однако она необходима для работы оборудования, поскольку без создания электромагнитного поля многие электрические устройства функционировать не могут.

Измеряется в киловольт-амперах реактивных (квар).

Полная мощность (S)

Полная мощность представляет собой суммарную нагрузку, которую источник питания должен обеспечить для потребителя.

Она объединяет активную и реактивную составляющие:

S² = P² + Q²

Измеряется в киловольт-амперах (кВА).

Именно по полной мощности рассчитывают:

• генераторы;
• силовые трансформаторы;
• ИБП;
• стабилизаторы напряжения;
• кабельные линии.

Почему появляется реактивная мощность

Если бы все электрические нагрузки состояли только из нагревательных элементов, реактивная составляющая практически отсутствовала бы. Например, обычный ТЭН преобразует практически всю потребляемую энергию в тепло. Напряжение и ток в такой нагрузке совпадают по фазе, а коэффициент мощности близок к единице.

Однако большинство промышленного оборудования работает иначе. Электродвигатели и трансформаторы используют магнитные поля. Для их создания требуется энергия, которая периодически запасается в электромагнитном поле и возвращается обратно в источник питания. Этот процесс и формирует реактивную мощность.

Роль фазового сдвига между током и напряжением

Главная особенность реактивной нагрузки заключается в том, что ток и напряжение в ней изменяются не одновременно. В активной нагрузке максимум напряжения и максимум тока совпадают по времени. В индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на определенный угол φ. Именно этот угол называется фазовым сдвигом.

Чем больше этот сдвиг, тем больше доля реактивной мощности и тем ниже коэффициент мощности cos φ. Связь между ними определяется выражением:

cos φ = P / S

То есть коэффициент мощности показывает, какая часть полной мощности реально используется как активная.

Как возникает реактивная энергия в электродвигателе

Рассмотрим работу обычного электродвигателя. Когда на его обмотки подается переменное напряжение, через проводники начинает протекать ток. Вокруг обмоток формируется магнитное поле, которое обеспечивает взаимодействие между неподвижной и вращающейся частями двигателя. Но создание магнитного поля требует передачи энергии от источника питания. Часть этой энергии временно накапливается в магнитном поле.

При изменении направления переменного тока магнитное поле изменяется, и накопленная энергия частично возвращается обратно в электрическую сеть. Таким образом, происходит постоянный обмен энергией между источником и нагрузкой.

Почему реактивная энергия циркулирует между сетью и оборудованием

В промышленной сети частота переменного тока составляет 50 Гц. Это означает, что полный цикл изменения направления тока происходит 50 раз в секунду.

В течение каждого цикла происходят следующие процессы:

1. Электрическая энергия поступает из сети в индуктивную нагрузку.
2. В магнитном поле оборудования запасается энергия.
3. При изменении направления тока магнитное поле изменяется.
4. Часть энергии возвращается обратно в источник питания.
5. Цикл повторяется.

Поэтому реактивная энергия не расходуется так же, как активная. Она совершает постоянный обмен между источником и потребителем. Именно поэтому используется термин «циркуляция реактивной мощности».

Почему реактивная мощность создает нагрузку на электрическую сеть

Может показаться, что если энергия возвращается обратно, то она не должна создавать проблем. Однако для передачи реактивной мощности через элементы системы требуется электрический ток.

Этот ток проходит через:

• генераторы;
• трансформаторы;
• кабели;
• коммутационные аппараты;
• стабилизаторы напряжения.

При увеличении тока возрастают:

• потери энергии в проводниках;
• нагрев оборудования;
• падение напряжения на линиях;
• нагрузка на силовые элементы.

Таким образом, реактивная мощность не является прямыми потерями энергии, но увеличивает токовую нагрузку всей системы электроснабжения.

Что такое коэффициент мощности cos φ

Коэффициент мощности — это параметр, который показывает эффективность использования полной мощности.

Обозначается cos φ.

Формула:

P = S × cos φ

где:

• P — активная мощность, кВт;
• S — полная мощность, кВА;
• cos φ — коэффициент мощности.

Чем ближе значение cos φ к единице, тем большая часть мощности преобразуется в полезную работу.

Например:

• cos φ = 1 — практически вся мощность активная;
• cos φ = 0,8 — около 80% полной мощности используется как активная.

Как cos φ влияет на ток нагрузки

Одна из главных причин учета коэффициента мощности — влияние на ток.

Ток нагрузки определяется выражением:

I = P / (U × cos φ)

При одинаковой активной мощности снижение cos φ приводит к увеличению тока.

Например, электродвигатель мощностью 15 кВт:

При cos φ = 1:

15 кВт ≈ 15 кВА

При cos φ = 0,8:

15 / 0,8 = 18,75 кВА

То есть источник питания должен быть рассчитан уже примерно на 18,75 кВА. Именно поэтому оборудование электроснабжения выбирают не только по мощности потребителей в кВт, но и с учетом коэффициента мощности.

Какие устройства создают реактивную мощность

Основные потребители реактивной мощности:

• электродвигатели;
• насосы;
• компрессоры;
• кондиционеры;
• холодильное оборудование;
• вентиляторы;
• станки;
• сварочное оборудование;
• трансформаторы;
• лифтовые системы.

Практически не создают реактивной мощности:

• электрические нагреватели;
• чайники;
• утюги;
• ТЭНы;
• обычные резистивные нагрузки.

Можно ли компенсировать реактивную мощность

Полностью устранить реактивную мощность невозможно и не требуется. Она является естественным следствием работы оборудования с электромагнитными элементами. Однако ее уровень можно уменьшить.

На промышленных объектах применяются:

• установки компенсации реактивной мощности (УКРМ);
• батареи конденсаторов;
• автоматические системы регулирования коэффициента мощности.

Они создают реактивную мощность противоположного характера и уменьшают токовую нагрузку на сеть.

Результатом становится:

• снижение потерь;
• уменьшение нагрузки на трансформаторы;
• повышение эффективности системы электроснабжения.

Почему стабилизаторы и генераторы указывают мощность в кВА

Стабилизаторы напряжения, генераторы и трансформаторы работают с полной мощностью нагрузки. Они должны обеспечивать передачу как активной, так и реактивной составляющей. Поэтому их характеристики указываются именно в кВА.

Например, стабилизатор мощностью 30 кВА способен работать с нагрузкой, полная мощность которой не превышает это значение. Однако фактическая активная мощность, которую сможет потреблять оборудование, будет зависеть от коэффициента мощности подключенных устройств.

При выборе стабилизатора необходимо учитывать:

• суммарную мощность нагрузки;
• характер потребителей;
• наличие электродвигателей;
• пусковые токи;
• коэффициент мощности.

Часто задаваемые вопросы

Реактивная мощность — это потери энергии?

Нет. Реактивная энергия не является потерей в классическом смысле. Значительная часть энергии возвращается обратно в источник. Однако ее передача вызывает дополнительные токи в элементах сети, что приводит к дополнительным потерям и нагреву оборудования.

Почему реактивная мощность измеряется в квар?

Поскольку реактивная и активная мощности имеют разные физические характеристики, для них используются разные единицы измерения. Активная мощность измеряется в ваттах (Вт), реактивная — в варах (вар), полная — в вольт-амперах (ВА).

Всегда ли реактивная мощность вредна?

Нет. Без нее невозможно создание магнитных полей в электродвигателях, трансформаторах и другом оборудовании. Проблема возникает только тогда, когда ее уровень становится слишком высоким и приводит к росту токовой нагрузки.

Почему бытовые приборы обычно указывают мощность в кВт?

Потому что большинство бытовых приборов имеют небольшую реактивную составляющую либо работают преимущественно как активные нагрузки. Для промышленного оборудования влияние cos φ значительно выше, поэтому там используется расчет по полной мощности.

Заключение

Реактивная мощность является не лишней энергией, а необходимым элементом работы электрических систем переменного тока.

Она возникает из-за процессов создания электромагнитных полей в двигателях, трансформаторах и других устройствах с индуктивными элементами.

В отличие от активной мощности, она не преобразуется непосредственно в полезный результат, а совершает периодический обмен между источником питания и нагрузкой.

Однако этот обмен сопровождается прохождением дополнительного тока через элементы системы электроснабжения, что увеличивает потери, нагрев и нагрузку на оборудование.

Именно поэтому при проектировании электросетей и выборе генераторов, трансформаторов, ИБП и стабилизаторов необходимо учитывать не только активную мощность в кВт, но и полную мощность в кВА, коэффициент мощности cos φ и характер подключаемой нагрузки.