Источник: 2003 University of Illinois at Urbana-Champaign.
http://www.pserc.wisc.edu/Sauer_Reactive%20Power_Sep%202003.pdf
Реактивная мощность – это количество, которое обычно определяется только для электрических систем переменного тока (ПТ). Наша американская связанная решетка является почти полностью системой ПТ, где напряжения и токи чередуются 60 раз за секунду (не обязательно в то же время). В этом смысле они пульсирующие величины. Из-за этого мощность, которая передается как единая линия, также «пульсирует», несмотря на то, что она пульсирует 120 раз за секунду, а не 60. Эта мощность пульсирует вокруг некоторого «среднего» значения – это среднее значение названо «настоящей» мощностью, и через какое-то время вы платите за эту мощность в киловатт-часах. Если это среднее значение равно нулю, то вся мощность, которая передается, называется «реактивной». Вы не сможете постоянно использовать реактивную мощность, потому что вы потребляете некоторую ее часть за определенное время, и в тоже время генерируете ее обратно для поддержания нуля в сети. Чтобы отличать реактивную мощность от реальной (активной) мощности, мы используем понятие «ВАР» – вольт-амперы реактивные. Напряжение в электрической системе аналогично давлению в системе водоснабжения. Ток в электрической системе аналогичен потоку воды в системе водоснабжения.
Давайте вернемся к понятию, что напряжение и ток, возможно, не совпадают по направлению в одно и то же время. Когда напряжение и ток совпадают по направлению в одно и то же время, передается только активная мощность. Когда напряжение и ток не совпадают, передается реактивная мощность. Какое количество реактивной мощности и какое направление она имеет, протекая по линии электропередач, зависит от того, на сколько отличаются по знаку ток и напряжение.
Два предельных случая взаимоотношения во времени между напряжением и током проявляются в индукторах и конденсаторах. Индуктор – кольцо провода, которое используется для обмотки двигателя. Конденсатор делается из параллельных проводящих пластин, отделенных изолирующим материалом. Электрические свойства этих двух устройств такие, что, если они оба будут подсоединены к источнику напряжения ПТ, индуктор будет потреблять энергию в течение половины того же цикла, за который конденсатор будет ее генерировать. И наоборот, индуктор генерирует энергию в течение половины того же цикла, за который конденсатор ее потребляет. Никто из них не потребляет никакой активной мощности в течение всего цикла. Поэтому, когда двигатель нуждается в реактивной мощности, необязательно, чтобы ее вырабатывал генератор на электростанции. Вы можете просто поместить конденсатор параллельно двигателю, и он выработает необходимую двигателю реактивную мощность. Это позволит разгрузить линии электропередач от генератора к двигателю от балластной реактивной мощности. Реактивная мощность будем иметь «локальный» характер. Благодаря конденсатору, снизился ток в линии электропередач. С уменьшением тока возрастает пропускная способность линии. При установке конденсаторов, падение напряжения в линиях также уменьшается, тем самым приближая напряжение на двигателе к его оптимальному значению.
Есть много физических аналогий для этого количества, названного реактивная мощность. Например – процесс наполнения водного резервуара водой с помощью одного ведра за один раз. Представьте себе, что вы хотите заполнить резервуар водой. Это можно сделать только единственным способом: влезть на лестницу, которая ведет к резервуару, и вылить ведро воды. Затем вам придется спуститься по лестнице еще за одним ведром воды. Иначе говоря, если вы просто поднимаетесь вверх по лестнице (не перенося чего-либо) и спускаетесь вниз (не перенося чего-либо), вы не делаете никакой работы в процессе. Но как только вы проделали работу по поднятию по лестнице, вы должны проделать такую же работу по спуску с нее.
Хорошо, если вы все еще не согласны с тем, что, поднимаясь по лестнице и спускаясь вниз, не делаете никакой работы, то давайте взглянем на это с другой стороны. Разве вы заплатите кому-либо за подъем по лестнице и спуск вниз без выполнения какой-либо работы вверху? Вероятно, нет. Но если этот «кто-то», находясь наверху, выльет ведро воды, то вероятно он заслуживает награды за свой труд.
Когда вы несете ведро воды по лестнице, вы делаете определенное количество работы. Если вы сбрасываете воду вверху и спускаетесь с пустым ведром, то вы не вернули всю свою энергию (поскольку ваш общий вес при спуске меньше чем, при подъеме), и вы сделали работу в течение этого процесса. Энергия, которая требуется для поднятия и спуска по лестнице, не несущая ничего в любом случае, требует реактивную мощность, но никакой активной. Энергия, которая требуется для поднятия и спуска по лестнице, несущая что-нибудь, требует как активную мощность, так и реактивную.
Напомню, что мощность – это норма времени энергопотребления. Так потребляя 500 Ватт активной мощности в течение 30 минут, мы используем 250 Ватт-часов энергии (или 0.25 киловатт-часов, генерация которых стоит около 2.5 центов в США). Аналогия состоит в том, что напряжение в электрической системе ПТ подобно персоне, поднимающейся и спускающейся по лестнице. Движение воды вверх по лестнице, а затем вниз в резервуаре подобно току в электрической системе ПТ.
На данный момент эта пульсация реактивной мощности носит негативный характер для двигателей и генераторов, перегружая их, что может привести к их выходу их строя. Решить проблему пульсации можно, поставив 3 лестницы к водному резервуару, по каждой из которых будет подыматься человек (первый на первой лестнице, затем второй на второй лестнице и третий на третьей лестнице). Это обеспечит устойчивый поток воды в резервуар. Пока мощность, требуемая для каждого человека, пульсирует, суммарный результат будет сбалансирован. Симметричная последовательность приводит к постоянному потоку воды в резервуаре – вот почему мы используем «3х фазную» электрическую систему, где напряжение следует одно за другим по трем фазам (сначала фаза А, затем фаза B, и потом фаза C). В электрических системах ПТ такая последовательность передачи электрической энергии является основной.