Электричество в доме Все об электроэнергии для Вашего дома
Устройство компенсации реактивной мощности – далеко не новинка, но заговорили о нем недавно. Все дело в том, что подобные системы вполне успешно применяются на производственных объектах, а вот устройства для жилого сектора появились не так давно и стали предметом горячих споров на счет их эффективности. Генератор обратной мощности для электросчетчика производится в Китае. Если верить рекламе, он позволяет сократить расход электроэнергии на 5%. Так ли это? Однозначно ответить не получится, так как для начала нужно разобраться в принципе действия такого устройства и в процессах потребления электроэнергии различными потребителями.
Содержание
Нагрузка
В данном контексте под понятием нагрузка подразумеваются все электроприборы, которые применяются в доме или квартире и потребляют электроэнергию. Наверняка всем известно, что такое КПД – коэффициент полезного действия. Этот параметр определяет сколько электроэнергии затрачивается на полезное действие, а сколько на побочный эффект. Например, взять лампу накаливания, ее главная задача светить, но при этом она еще нагревается. Приблизительно 40% затраченной энергии тратится на нагрев и лишь 60% на свет. Отсюда КПД = 0,6. Здесь все просто, но вот существует еще и коэффициент мощности или как говорят косинус фи. Что же это такое?
Сдвиг по фазе
Как известно, в бытовой электросети применяется переменное напряжение. Если его изобразить на графике, то получится синусоида (волна). По оси ординат определяется напряжение, а по абсцисс – время. Учитывая, что частота в сети 50 Гц, фаза длится 1/50 секунды. За это время на графике потенциал фазы возрастает от 0 до +220. Потом падает до -220 и возрастает опять до 0, то есть полный цикл. Теперь представим, что подключили нагрузку, например, утюг и появился ток.
Добавим на графике еще одну синусоиду теперь уже тока, а не напряжения. Руководствуясь законом Ома, определим его величину для каждого полупериода и увидим, что получилась идентичная синусоида, в которой гребни и впадины волн по вертикали полностью совпадают с графиком напряжения. Другими словами, ток не отстает и не опережает напряжение, то есть сдвига нет.
Ситуация кардинально меняется, когда вместо утюга включаем в цепь пылесос или вентилятор. Если посмотреть на графики, полученные на осциллографе, то увидим, что ток отстает от напряжения, то есть происходит сдвиг тока по фазе. Величина сдвига определяется через косинус угла сдвига и является коэффициентом мощности.
Представим работу генератора. В момент вращения, когда южный полюс, возбуждающей обмотки ротора, выравнивается с магнитопроводом статора индукционной катушки фазы «А», напряжение фазы достигает пикового значения. По мере проворачивания ротора напряжение фазы «А» падает. А теперь добавим схему с вентилятором, когда ток отстает от напряжения. Это значит, что ток достигнет пика позже, чем напряжение и ротор уже провернется на какой-то угол. Вот именно этот угол и называется «φ».
Коэффициент мощности
На графике коэффициент мощности – это расстояние по оси абсцисс между волной напряжения и тока, а вычисляется оно через косинус угла сдвига. К примеру, угол сдвига 60°, а cos 60° = 0,5, в результате коэффициент мощности такого потребителя равен 0,5. Это означает, что 50% потребляемой электроэнергии преобразуется в полезное действие, а остальные 50% возвращаются обратно в сеть. При этом электросчетчик учитывает всю электроэнергию и за нее нужно платить. Можно ли сделать так, чтобы реактивная энергия не учитывалась – да, но для начала следует учитывать множество нюансов.
Внимание! Не следует путать компенсаторы реактивной энергии с устройствами для «отмотки» электросчетчика. За применение вторых предусматривается уголовная ответственность.
Активная и реактивная энергия
Из приведенных примеров ясно, что не все электроприборы вызывают сдвиг по фазе, а только те у которых cos φ отличен от «1». Исходя из того, что косинус – это отношение прилежащего катета к гипотенузе, единица получится только в том случае если угол равен «0», то есть сдвига нет. Зависит это от вида электрического сопротивления, которых существует всего 3. Это активное, индуктивное и емкостное сопротивление. Теперь рассмотрим их подробнее.
Активное сопротивление
Его еще называют омическое. Другими словами, это сопротивление материала, которое неизменно при любых обстоятельствах (кроме температуры). К приборам с таким сопротивлением относятся ТЭНовые нагреватели (электроплиты, конвекторы и др.), а также лампы накаливания. Мощность таких приборов равняется произведению тока и напряжения, а ток в свою очередь зависит от сопротивления и рассчитывается по закону Ома: I = U/R. КПД активной нагрузки может быть разным, а вот cos φ, коэффициент мощности всегда равен 1.
Индуктивное
Если замерять сопротивление первичной обмотки сварочного трансформатора омметром, то увидим достаточно малое значение – всего где-то 2-4 Ом. Казалось бы, при подаче напряжения должно произойти короткое замыкание, но в реальности все работает нормально. Здесь закон Ома отступает и работает совсем другая формула. В катушке ток нарастает медленнее напряжения и возникает сдвиг тока по фазе в сторону отставания. Рассчитывается индуктивное сопротивление так: XL = 2 π FL. Где XL — сопротивление катушки, π – константа (3,14), F – частота тока, а L – индуктивность катушки.
Емкостное
Таким сопротивлением обладает простой конденсатор, а вычисляется оно по формуле Xc = ½ π FC, где Xc – емкостное сопротивление (Ом), F – частота (Гц) и C – емкость (Ф). При подключении конденсатора в цепь сдвиг тока происходит в сторону опережения.
В двух последних случаях сопротивление зависти от частоты тока, а в первом (омическом) – частота не влияет на сопротивление. Именно потребители с индуктивным и емкостным сопротивлением заставляют платить за лишнюю электроэнергию.
Компенсация реактивной энергии
В силу характера работы таких приборов избежать эффекта реактивной энергии нельзя, но его можно компенсировать. Можно провести эксперимент, подключив в сеть катушку (трансформатор на холостом ходу) и замерив ток в цепи. Важно не показание, а его наличие. Теперь рассмотрим такую же схему с конденсатором вместо катушки. Ток также будет. Это значит, что никакой работы не производится, а счетчик считает.
Если же подключить катушку и конденсатор параллельно, то амперметры 1 и 2 покажут ток на катушке и на емкости. В то же время амперметр 3 при условии равенства коэффициента мощности обеих потребителей покажет значение ноль. Задача выполнена и сдвиг тока в одну сторону компенсирован аналогичным сдвигом в другую сторону.
Именно по этому принципу и работает так называемый «генератор обратной мощности». Но как это работает на практике и какая будет экономия?
Промышленные компенсаторы реактивной энергии
На любом предприятии есть определенный набор оборудования и четкий алгоритм работы. Это значит, что суммарный сдвиг по фазе можно определить подсчетом или замерами. За счет этого несложно подобрать нужную емкость конденсаторной батареи и рассчитать периодичность ее подключения. На практике подобные установки позволяют сэкономит до 4% электроэнергии, что при общем расходе в тысячи или десятки тысяч киловатт довольно ощутимо.
Важно! Применение компенсаторов реактивной энергии вполне законно.
Бытовые устройства
Целесообразность покупки генератора обратной мощности для дома остается под большим сомнением. Производители таких устройств попросту не могут знать какая техника у вас дома, когда и сколько работает пылесос, вентилятор, какой мощности у вас холодильник и сколько в доме электроники с конденсаторами и блоками питания. Обычно подобные устройства рассчитываются, как говорится, «на глаз» и речи о 5% экономии быть не может. Максимум чего можно достичь – это 0,5 или от силы 1 %. Учитывая цену перелагаемых в интернете устройств, при такой эффективности их окупаемость почти нулевая. Так стоит ли?
Намного эффективнее применить этот принцип индивидуально и на основе замеров угла отклонения самому подобрать нужную емкость для каждого более-менее мощного оборудования с электродвигателем.
Читайте также:
