Понятие о реактивной мощности

Для выяснения, что же такое реактивная мощность, надо определить другие возможные виды мощности. При существовании в контуре активной нагрузки (резистора) происходит потребление исключительно активной мощности, полностью расходуемой на энергопреобразование. Значит, можно сформулировать, что такое активная мощность, – та, при которой ток совершает эффективную работу.

На постоянном токе происходит потребление исключительно активной мощности, рассчитываемой соответственно формуле:

P = U x I.

Измеряется в ваттах (Вт).

В электроцепях с переменным током при наличии активной и реактивной нагрузки мощностной показатель суммируется из двух составных частей: активной и реактивной мощности.

Реактивная нагрузка бывает двух видов:

1. Емкостная (конденсаторы). Характеризуется фазовым опережением тока по сравнению с напряжением;
2. Индуктивная (катушки). Характеризуется фазовым отставанием тока по отношению к напряжению.

Емкостная и индуктивная нагрузка

Если рассмотреть контур с переменным током и подсоединенной активной нагрузкой (обогреватели, чайники, лампочки с накаливающейся спиралью), ток и напряжение будут синфазными, а полная мощность, взятая в определенную временную отсечку, вычисляется путем перемножения показателей напряжения и тока.

Однако когда схема содержит реактивные компоненты, показатели напряжения и тока не будут синфазными, а будут различаться на определенную величину, определяемую углом сдвига «φ». Пользуясь простым языком, говорится, что реактивная нагрузка возвращает столько энергии в электроцепь, сколько потребляет. В результате получится, что для активной мощности потребления показатель будет нулевой. Одновременно по цепи протекает реактивный ток, не выполняющий никакую эффективную работу. Следовательно, потребляется реактивная мощность.

Реактивная мощность – часть энергии, которая позволяет устанавливать электромагнитные поля, требуемые оборудованием переменного тока.

Расчет реактивной мощности ведется по формуле:

Q = U x I x sin φ.

В качестве единицы измерения реактивной мощности служит ВАр (вольтампер реактивный).

Выражение для активной мощности:

P = U x I x cos φ.

Треугольник мощностей

Взаимосвязь активной, реактивной и полной мощности для синусоидального тока переменных значений представляется геометрически тремя сторонами прямоугольного треугольника, называемого треугольником мощностей. Электроцепи переменного тока потребляют две разновидности энергии: активную мощность и реактивную. Кроме того, значение активной мощности никогда не является отрицательным, тогда как для реактивной энергии возможна либо положительная величина (при индуктивной нагрузке), либо отрицательная (при емкостной нагрузке).

Треугольник мощностей

Важно! Из треугольника мощностей видно, что всегда полезно снизить реактивную составляющую, чтобы повысить эффективность системы.

Полная мощность не находится как алгебраическая сумма активного и реактивного мощностного значения, это векторная сумма P и Q. Ее количественное значение вычисляется извлечением квадратного корня из суммы квадратов мощностных показателей: активного и реактивного. Измеряться полная мощность может в ВА (вольтампер) или производных от него: кВА, мВА.

Чтобы была рассчитана полная мощность, необходимо знать разность фаз между синусоидальными значениям U и I.

Коррекция cos φ

Для коррекции cos φ применяется тот факт, что при емкостной и индуктивной нагрузке вектора реактивной энергии располагаются в противофазе. Так как большинство нагрузок является индуктивными, подключив емкость, можно добиться увеличения cos φ.

Принцип компенсации реактивной мощности

Главные потребители реактивной энергии:

1. Трансформаторы. Представляют собой обмотки, имеющие индуктивную связь и посредством магнитных полей преобразуюшие токи и напряжения. Эти аппараты являются основным элементом электросетей, передающих электроэнергию. Особенно увеличиваются потери при работе на холостом ходу и при низкой нагрузке. Широко используются трансформаторы в производстве и в быту;
2. Индукционные печи, в которых расплавляются металлы путем создания в них вихревых токов;
3. Асинхронные двигатели. Крупнейший потребитель реактивной энергии. Вращающий момент в них создается посредством переменного магнитного поля статора;
4. Преобразователи электроэнергии, такие как силовые выпрямители, используемые для питания контактной сети железнодорожного транспорта и другие.

Конденсаторные батареи подсоединяются на электроподстанциях для того, чтобы контролировать напряжение в пределах установленных уровней. Нагрузка меняется в течение дня с утренними и вечерними пиками, а также на протяжении недели, снижаясь в выходные, что изменяет показатели напряжения. Подключением и отключением конденсаторов варьируется его уровень. Это делается от руки и с помощью автоматики.

Как и где измеряют cos φ

Реактивная мощность проверяется по изменению cos φ специальным прибором – фазометром. Его шкала проградуирована в количественных значениях cos φ от нуля до единицы в индуктивном и емкостном секторе. Полностью скомпенсировать негативное влияние индуктивности не удастся, но возможно приближение к желаемому показателю – 0,95 в индуктивной зоне.

Фазометр

Фазометры применяются при работе с установками, способными повлиять на режим работы электросети через регулирование cos φ.

1. Так как при финансовых расчетах за потребленную энергию учитывается и ее реактивная составляющая, то на производствах устанавливаются автоматические компенсаторы на конденсаторах, емкость которых может меняться. В сетях, как правило, используются статические конденсаторы;
2. При регулировании cos φ у синхронных генераторов путем изменения возбуждающего тока необходимо его отслеживать визуально в ручных рабочих режимах;
3. Синхронные компенсаторы, представляющие собой синхронные двигатели, работающие без нагрузки, в режиме перевозбуждения выдают в сеть энергию, которая компенсирует индуктивную составляющую. Для регулирования возбуждающего тока наблюдают за показаниями cos φ по фазометру.

Синхронный компенсатор

Коррекция коэффициента мощности – одна из эффективнейших инвестиций для сокращения затрат на электроэнергию. Одновременно улучшается качество получаемой энергии.

>Видео

5.3. Реактивная мощность и потеря напряжения

• •Системы электроснабжения.
• •1. Нагрев и охлаждение проводников.
• •1.1. Переходный процесс нагрева – охлаждения.
• •1.2. Длительно допустимый ток.
• •1.3. Зависимость длительно допустимого тока от сечения.
• •1.4. Расчёт температуры проводника при заданной нагрузке.
• •1.5. Корректировка допустимого тока в зависимости от температуры окружающей среды и количества параллельно проложенных проводников.
• •1.6. Выбор сечения по длительно допустимому току.
• •1.7. Постоянная времени нагрева τ и длительность расчетного максимума нагрузки.
• •1.8. Расчет температуры проводника при прохождении тока кз и проверка кабелей на невозгорание.
• •2. Экономическое сечение и экономическая плотность тока.
• •2.1. Расчетные затраты на электропередачу.
• •2.2. Экономическое сечение и экономическая плотность тока.
• •2.3. Математическая модель затрат на передачу мощности по лэп.
• •3. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях.
• •3.1. Структура фактических (отчетных) потерь электроэнергии.
• •3.2. Термины и определения.
• •3.3. Нагрузочные потери.
• •3.4. Метод средней мощности
• •3.5. Метод максимальной мощности рм
• •3.6. Потери холостого хода (хх).
• •3.7. Климатические потери
• •3.8. Расход электроэнергии на собственные нужды подстанций
• •3.9. Погрешности средств измерения
• •3.10. Коммерческие потери
• •4.1. Определения
• •4.2. Падение и потеря напряжения в 3-х фазной лэп с симметричной нагрузкой
• •4.3. Расчет потери напряжения в ответвлениях от 3-х фазной лэп
• •4.5. Методы регулирования напряжения в электрических сетях
• •4.6. Регулирование напряжения в цп с помощью трансформатора
• •4.7. Расчет вторичного напряжения трансформатора с учетом положения переключателя отпаек
• •4.8. Регулирование напряжения в цп с помощью трансформаторов с рпн
• •4.9. Допустимая (располагаемая) потеря напряжения
• •4.10. Продольно-емкостная компенсация.
• •5. Компенсация реактивной мощности
• •5.1. Природа реактивной мощности (рм).
• •5.2. Реактивная мощность и потери активной мощности.
• •5.3. Реактивная мощность и потеря напряжения
• •5.4 Потребители реактивной мощности (рм)
• •5.6. Источники р.М.
• •5.7. Синхронные двигатели
• •5.8. Конденсаторные батареи
• •5.9. Выбор компенсирующих устройств
• •5.10. Выбор размещения кб
• •5.11. Наивыгоднейшее распределение кб в распределительной электрической сети.
• •5.12. Регулирование мощности кб
• •5.13. Автоматическое регулирование конденсаторных батарей по реактивной мощности
• •6. Режимы нейтрали в сетях напряжением ниже 1000 в
• •6.1. Классификация электрических сетей.
• •6.2. Система tn- нейтраль заземлена, корпуса занулены
• •6.2.1. Характеристика и свойства сетей tnc, tns:
• •6.2.2. Расчет тока однофазного кз, напряжений прикосновения и смещения нейтрали.
• •6.3. Система tt – нейтраль и корпуса присоединены к разным заземляющим устройствам.
• •6.3.1. Характеристика и свойства сети тт:
• •6.3.2. Расчет тока однофазного кз, напряжений прикосновения и смещения нейтрали, расчет требуемой чувствительности узо.
• •6.4. Система it- нейтраль изолирована, корпуса заземлены.
• •6.4.1. Характеристика и свойства сети it:
• •6.4.3. Расчет напряжений прямого и косвенного прикосновений в сети it.
• •7. Автоматические выключатели
• •7.1 Определения
• •7.2. Описание
• •7.3 Основные характеристики автоматического выключателя
• •7.3.1. Номинальный ток (In)
• •7.3.2. Наибольшая предельная отключающая способность (Icu или Icn)
• •7.3.3. Наибольшая рабочая отключающая способность (Ics)
• •7.3.4. Время- токовые характеристики расцепителей
• •7.3.5 Типы расцепителей
• •7.3.6. Категория применения (a или b) и номинальный кратковременно выдерживаемый ток (Icw)
• •7.4. Ограничение тока короткого замыкания, токоограничивающие автоматы
• •7.5. Согласование характеристик автоматических выключателей, каскадирование
• •7.6. Селективность отключения
• •7.6.4. Логическая селективность
• •7.7. Выбор автоматического выключателя и уставок его расцепителей
• •8. Пуск и самозапуск асинхронных электродвигателей
• •8.1. Условия успешного пуска асинхронного двигателя (ад)
• •8.2. Механические характеристики ад
• •8.3. Механические характеристики приводимых механизмов
• •8.4. Учет снижения пускового тока в процессе разгона
• •8.5. Динамический (избыточный) момент и время разгона
• •8.5. Тормозной момент, кривая выбега и время остановки
• •8.5. Проверка возможности одиночного и группового самозапуска ад
• •8.6. Проверка допустимости колебания напряжения для работающих двигателей и освещения при пуске ад
• •8.7. Пример
• •8.8. Устройства плавного пуска (упп) (Softstart)
• •Два способа включения тиристоров
• •9. Схемы распределения электроэнергии.
• •9.1. Требования, предъявляемые к схемам.
• •9.2. Внутрицеховые электрические сети.
• •9.3. Схемы распределительных сетей напряжением выше 1000 в.
• •Список литературы

Регулирование напряжения изменением реактивной мощности

Сущность регулирования напряжения за счет воздействия на потоки реактивной мощности по элементам электрической сети заключается в том, что при изменении реактивной мощности изменяются потери напряжения в реактивных Сопротивлениях. Так, для схемы сети, приведенной на рис. 1, связь между напряжениями начала U1, и конца U2 можно записать в виде:

(1)

Рис. 1 Схема сети с компенсирующим устройством

В отличие от активной мощности, реактивную мощность в узлах сети можно изменять путем установки в них устройств поперечной компенсации, т. е. компенсирующих устройств (КУ), подключенных параллельно нагрузке. В качестве таких компенсирующих реактивную мощность устройств могут служить батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, шунтирующие и управляемые реакторы, статические тиристорные компенсаторы. К таким устройствам могут быть также отнесены генераторы местных электростанций, подключенных к системе передачи и распределения электроэнергии, синхронные электродвигатели, фильтры высших гармоник. Часть из указанных компенсирующих устройств может только выдавать в сеть реактивную мощность, некоторые — только потреблять из сети реактивную мощность (шунтирующие и управляемые реакторы). Наиболее ценными для регулирования напряжения являются устройства, обладающие способностями в зависимости от режима сети как генерировать, так и поглощать реактивную мощность (синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы).

Компенсирующие устройства могут быть нерегулируемыми и регулируемыми. При включении нерегулируемого компенсирующего устройства в сети создается постоянная добавка потери напряжения (отрицательная или положительная). Если же компенсирующее устройство позволяет изменить свою мощность в зависимости от режима сети, то добавка потери напряжения, как это следует из формулы (1), оказывается переменной, в результате чего появляется возможность регулировать напряжение. Так, в схеме сети, приведенной на рис. 1, при изменении компенсирующим устройством мощности QK от выдачи (знак «минус» в формуле (1) перед QK) до потребления (знак «плюс» перед QK) будет изменяться потеря напряжения, что при неизменном напряжении U1 = const приведет также к изменению напряжения U2 в конце сети, т. е. будет обеспечено регулирование напряжения.

Как следует из формулы (1), эффективность регулирования напряжения с помощью поперечных компенсирующих устройств повышается в сетях с относительно большими» реактивными сопротивлениями по сравнению с активными, например, в воздушных сетях по сравнению с кабельными. При этом наибольший эффект достигается при установке компенсирующих устройств в наиболее удаленных от центров литания узлах нагрузки.

С помощью поперечного компенсирующего устройства можно создать режим, в котором напряжение в конце сети окажется больше напряжения в начале (U2 > U1). Это произойдет тогда, когда потеря напряжения в формуле (1) станет отрицательной:

Отсюда мощность компенсирующего устройства для такого режима

(2)

Физическую сущность регулирования напряжения с помощью поперечных компенсирующих устройств дополнительно поясним на векторных диаграммах. Для этого связь между напряжением U1 и U2 запишем через падение напряжения:

(3)

При установке компенсирующего устройства, выдающего реактивную мощность,

(4)

Для случая, когда генерируемая мощность компенсирующего устройства полностью компенсирует реактивную нагрузку потребителей (QK = Q2)

(5)

На рис. 2, а показана векторная диаграмма напряжений без компенсирующего устройства и с компенсирующим устройством при QK < Q2, построенная по формулам (3) и (4). Здесь ∆Ua-падения напряжения от передачи активной мощности, a ∆Up- реактивной мощности без компенсирующего устройства. Из диаграммы видно, что при установке компенсирующего устройства значение ∆Ua не изменяется, а вектор ∆Up занимает положение ∆Up.k. В результате исходный вектор напряжения ∆U1 в начале линии уменьшается по модулю и становится равным ∆U1k. Таким образом, для получения заданного напряжения U2 за счет установки компенсирующего устройства потребуется меньшее напряжение ∆U1 в результате снижения падения напряжения.

На рис. 2, б показан случай, когда полностью скомпенсирована реактивная мощность потребителей (QK = Q2), в результате чего падение напряжения ∆Up.k от передачи реактивной мощности полностью отсутствует (формула (5). И, наконец, на рис. 2, в показан исходный режим без компенсирующего устройства и режим, когда мощность компенсирующего устройства QK > Q2 и удовлетворяет условию (2). В этом случае падение напряжения в активном и реактивном сопротивлениях изменяет знак, а напряжение U2 становится больше U1k.

Компенсирующие устройства поперечной компенсации оказывают комплексное положительное влияние на режим электрических сетей. Кроме возможности регулирования напряжения, они позволяют снизить потери активной мощности и электроэнергии за счет разгрузки элементов сети от реактивной мощности и соответственно снижения рабочих токов. В ряде случаев, когда передаваемая активная мощность ограничивается допустимым током по нагреванию или допустимой потерей напряжения, за счет разгрузки сети от реактивной мощности можно увеличить пропускную активную мощность. Поэтому в общем случае вопросы выбора мощности и мест установки компенсирующих устройств должны решаться комплексно. Здесь же, однако, рассмотрим подход к выбору мощности компенсирующего устройства по условию регулирования напряжения .

Пусть при U1=const напряжение U2 по каким то причинам не удовлетворяет потребителей (рис. 1), и его надо повысить до U2ж с помощью выбора соответствующей мощности компенсирующего устройства, устанавливаемого в конце сети При расчете в общем случае следует учесть, что при повышении напряжения U2 до U2ж произойдет изменение потребляемых нагрузок P2 и Q2 до P2ж и U2ж в соответствии с их статическими характеристиками P2=f(U2) и Q2=f(U2). Этот фактор может не учитываться в том случае, если нагрузка подключена на вторичной стороне трансформатора, имеющего устройство РПН, которое позволяет сохранить напряжение на шинах низшего напряжения неизменным.

До и после установки компенсирующего устройства мощностью QK связь между напряжениями начала и конца сети можно соответственно представить в виде:

Приравнивая правые части данных уравнений вследствие условия U1=const, найдем мощность компенсирующего устройства

(6)

Здесь мощности P2, Q2, P2ж, Q2ж находятся по соответствующим статическим характеристикам

Если в качестве компенсирующего устройства выступает батарея конденсаторов, то ее мощность зависит от подводимого напряжения:

где Qб.н номинальная мощность батареи конденсаторов при номинальном напряжении Uб.н

С учетом этой зависимости номинальная мощность батареи конденсаторов для изменения напряжения U2 до U2ж должна быть равна

(7)

Рис. 2. Векторные диаграммы напряжений при выдаче реактивной мощности компенсирующим устройством: а — при QK < Q2; 6 — при QK = Q2; в — при QK > Q2 и U2 > U, С

В случае неучета статических характеристик нагрузки P2ж=P2 и Q2ж=Q2. Тогда необходимая мощность компенсирующего устройства из формулы (6) получается в виде:

(8)

Для компенсирующего устройства в виде батареи конденсаторов из формулы (7) соответственно получим:

(9)

>Инвертор реактивной мощности

Транскрипт

1 Инвертор реактивной мощности Устройство предназначено для питания бытовых потребителей переменным током. Номинальное напряжение 220 В, мощность потребления 1-5 квт. Устройство может использоваться с любыми счетчиками, в том числе с электронными и электронно-механическими, даже имеющими в качестве датчика тока шунт или воздушный трансформатор. Устройство, собранное по предлагаемой схеме, просто вставляется в розетку и от него питается нагрузка. Вся электропроводка остается нетронутой. Заземление не нужно. Счетчик при этом учитывает примерно четверть потребленной электроэнергии. Теоретические основы При питании активной нагрузки фазы напряжения и тока совпадают. Функция мощности, представляющая собой произведение мгновенных значений напряжения и тока, имеет вид синусоиды, расположенной только в области положительных значений. Счетчик электрической энергии вычисляет интеграл от функции мощности и регистрирует его на своем индикаторе. Если к электрической сети вместо нагрузки подключить емкость, то ток по фазе будет опережать напряжение на 90 градусов. Это приведет к тому, что функция мощности будет расположена симметрично относительно положительных и отрицательных значений. Следовательно, интеграл от неё будет иметь нулевое значение, и счетчик ничего считать не будет. Принцип работы инвертора состоит в том, что конденсатор заряжают от сети в течение первого полупериода сетевого напряжения, а в течение второго — разряжают через нагрузку потребителя. Пока нагрузка питается от первого конденсатора, второй также заряжают от сети без подключения нагрузки. После этого цикл повторяется. Таким образом, нагрузка получает питание, по форме в виде пилообразных импульсов, а ток, потребляемый из сети- почти синусоидальный, только его аппроксимирующая функция опережает по фазе напряжение. Следовательно, счетчик учитывает не всю потребленную электроэнергию. Достичь смещения фаз до 90 градусов невозможно, так как фактически заряд каждого конденсатора завершается за четверть периода сетевого напряжения, но аппроксимирующая функция тока через счетчик при правильно подобранных параметрах емкости и нагрузки может опережать напряжение до 70 градусов, что позволяет счетчику учитывать всего четверть от фактически потребленной электроэнергии. Для питания нагрузки, чувствительной к форме напряжения, на выходе устройства можно установить фильтр. В этом случае питание нагрузки будет осуществляться почти правильной синусоидой. Принципиальная схема устройства Принципиальная схема приведена на рис.1. Основными элементами являются инверторный тиристорный мост VD7 VD10 с конденсаторами C1, С2. Тиристоры VD7 и VD8, открываясь поочередно, позволяют конденсаторам C1 и С2 заряжаться от сети в соответствующие полупериоды сетевого напряжения. Тиристоры VD9 и VD10 предназначены для разряда конденсаторов через нагрузку. Импульсы управления тиристорами формируются на вторичных обмотках трансформаторов Т2 и Т3 при открывании транзисторных ключей VT1 и VT2. Сигнал управления транзистором VT1, соответствующий положительной полуволне сетевого напряжения, выделяется параметрическим стабилизатором VD1, R1 и через гальваническую развязку на оптроне ОС1 подается на базу транзистора. Транзистор открыт в течение всего времени положительной полуволны. В момент его открывания переходный процесс тока в первичной обмотке трансформатора Т2 приводит к появлению импульсов во вторичных обмотках. Эти импульсы открывают тиристоры VD7 и VD10. Тиристоры остаются в открытом состоянии, пока токи через них не достигнут нулевых значений. Это приводит к заряду конденсатора С1 и к разряду С2. При появлении отрицательной полуволны сетевого напряжения транзистор VT1 закрывается, а VT2 открывается сигналом, выделяемом элементами VD2, R5 и ОС2. Работа каскада на транзисторе VT2 в отрицательный полупериод аналогична, и приводит к открыванию VD8, VD9, что приводит к заряду конденсатора С2 и к разряду С1. Блок питания транзисторных ключей и формирователей импульсов построен по простейшей схеме и состоит из трансформатора Т1, выпрямительного моста Br1 и фильтра С3.

2 Рис.1. Инвертор реактивной мощности. Схема электрическая принципиальная

3 Детали и конструкция Тиристоры VD7-VD10 должны быть рассчитаны на импульсный ток в открытом состоянии не менее 30 А и постоянное обратное напряжение не менее 310 В. Кроме указанных на схеме, допускается применение тиристоров КУ202К- КУ202М. Каждый тиристор должен быть установлен на радиаторе площадью не менее указанной в нижеследующей таблице. Транзисторы VT1, VT2 должны быть рассчитаны на импульсный ток коллектора не менее 1 А и напряжение коллектор-эмиттер не менее 40 В. Возможно применение транзисторов КТ815, КТ817, КТ819, КТ826, КТ827 с любыми буквенными индексами. В качестве оптронов ОС1, ОС2 можно использовать оптроны АОТ110 с любыми буквенными индексами или другие транзисторные оптроны, рассчитанные на номинальный выходной ток не менее 10 ма и напряжение не менее 30 В. Диоды VD-VD6 типа КД105, КД102, КД106. Br1- любые низковольтные выпрямительные диоды или диодная сборка на ток не менее 200 ма. Резисторы: R1, R5 типа МЛТ-2, остальные резисторы типа МЛТ Накопительные конденсаторы С1 и С2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее 400В. Они могут быть электролитическими, например К50-7. Их емкость выбирается в зависимости от мощности нагрузки, подключаемой к выходу устройства и должна быть не менее указанной в таблице. Мощность нагрузки, квт Площадь радиатора тиристора, кв.см. Емкость С1, С2, мкф Допускается применение батарей из нескольких конденсаторов, включенных параллельно. При малых нагрузках не рекомендуется завышать емкость конденсаторов, так как возрастают потери в схеме и снижается эффективность устройства. Конденсатор С3 любой электролитический емкостью мкф. Трансформатор T1 любой мощностью около Вт. Напряжение вторичной обмотки должно быть 12 В. Трансформаторы Т2 и Т2 намотаны на кольцевом ферритовом сердечнике внешним диаметром не менее 10 мм. Все обмотки одинаковые и содержат по витков провода диаметром мм. Устройство в целом собирают в каком-либо корпусе. Очень удобно (особенно в целях конспирации) использовать для этого корпус от бытового стабилизатора напряжения, которые в недалеком прошлом широко использовались для питания ламповых телевизоров. Наладка При наладке схемы соблюдайте осторожность! Помните, что не вся низковольтная часть схемы имеет гальваническую развязки от электрической сети! Применение плавких предохранителей обязательно! Накопительные конденсаторы работает в тяжелом режиме, поэтому их нужно разместить в прочном металлическом корпусе. Низковольтный блок питания проверяют отдельно от других модулей. Он должен обеспечивать ток не менее 0.2 А при напряжении на выходе 16 В. Настройку схемы управления тиристорами рекомендуется выполнять при отключенной нагрузке и отсоединенных накопительных конденсаторах С1, С2. С помощью осциллографа проверяют наличие прямоугольных импульсов на стабилитронах VD1, VD2. Амплитуда этих импульсов должна быть около 5 В, частота 50 Гц, скважность 1/1. Если скважность существенно отличается, то подбирают сопротивления резисторов R1, R5. После этого подключают осциллограф поочередно к база-эмиттерным переходам транзисторов VT1, VT2. Если оптронные узлы работают нормально, то на базах транзисторов будут прямоугольные импульсы амплитудой около 1В и частотой 50 Гц. При отсутствии этих импульсов подбирают резисторы R2, R6.

4 В заключении осциллограф подключают поочередно к управляющим электродам тиристоров VD7-VD10 и измеряют сигналы относительно соответствующих катодов. Должны наблюдаться короткие импульсы амплитудой около 1 В, частотой 50 Гц. Если импульсы отсутствуют или их амплитуда ниже 0.7 В, увеличивают сопротивления R17, R18. На этом настройку схемы управления устройства можно считать завершенной. При подключении нагрузки на выходе устройства будет напряжение, равное нулю. После подключения накопительных конденсаторов напряжение на нагрузке появится и будет иметь вид пилообразных импульсов, приведенных на рис.2. Амплитуда этих импульсов около 310 В, частота 50 Гц. Рис.2 Если нагрузка допускает произвольную форму питающего напряжения (нагревательные элементы, котлы, печи, освещение лампами накаливания и т.п), тогда на этом можно закончить. Если нагрузка требует синусоидального напряжения, перед нагрузкой следует включить фильтр. Как правило, достаточно простейшего Г-образного LC-фильтра (рис.3). При индуктивности дросселя L около 20 мгн и емкости конденсатора С 100 мкф (только неполярный!), на нагрузке мощностью 2 квт получается синусоида с незначительными искажениями (рис.4). Такие искажения допускают практически все потребители, даже точная электронная аппаратура. Рис.3. Фильтр. Рис. 4

5 После испытания устройства под нагрузкой полезно убедиться, что ток потребления из сети опережает по фазе напряжение. Для этого потребуется двулучевой осциллограф. Последовательно с устройством следует включить малое мощное сопротивление (например, кусок спирали от электроплитки), и параллельно ему подключить один канал осциллографа для измерения тока. Второй канал осциллографа включают параллельно входу устройства, для измерения напряжения. Осциллограммы тока и напряжения должны быть смешены относительно друг друга по фазе на величину, как можно ближе к 90 градусов (рис.5). Малое фазосмещение свидетельствует о потере емкости накопительных конденсаторов С1 и С2. Полное отсутствие- о пробое силовых тиристоров или неправильной работе схемы управления. Рис.5. Если при наладке устройства возникнут сложности не спешите делать вывод о некорректности схемы. Схема проверена. Сформулируйте суть проблемы и обратитесь к разработчикам по адресу Мы обязательно разберёмся и поможем Вам. Эти материалы уникальны и являются собственностью авторов проекта Их распространение без согласия авторов недопустимо и будет преследоваться!

Вступление

В электрической сети совершаются гармонические и синфазные (!) колебания тока и напряжения с частотой 50 Гц. При этом ток и напряжение совпадают по фазе. В этом может убедиться каждый желающий, подключив через шунт 0,5 Ом к сети активную нагрузку (например, лампу накаливания) и подключив к ним осциллограф (соблюдая технику безопасности). Для этой цели лучше использовать сетевой разделительный трансформатор 220 на 220 В. Вначале нужно найти и пометить в розетке фазный и нулевой провод. Как на активной нагрузке будут выглядеть вместе колебания тока и напряжения, показано на Рис.1

Рис.1

Но если ко вторичной обмотке трансформатора подключить реактивную нагрузку в виде конденсатора, то колебания тока и напряжения будут сдвинуты относительно друг друга по фазе на 90º. Всё это можно проверить тем же способом, что и с активной нагрузкой, подключив осциллограф к шунту и к конденсатору. Осциллограммы тока и напряжения для этого случая приведены ниже на Рис.2

Рис.2

Подключение в качестве реактивной нагрузки катушки индуктивности приведёт к обратному явлению. В качестве индуктивности можно использовать первичную обмотку любого силового трансформатора. В цепи такой обмотки колебания тока по фазе будут отставать от колебаний напряжения на 90º.

Если у этого сетевого трансформатора есть вторичная обмотка (хорошо, если она будет на 12÷20 Вольт), то мы всегда можем собрать колебательный контур, состоящий из вторичной обмотки данного сетевого трансформатора и конденсатора, чтобы резонансная частота полученного колебательного контура совпала с частотой колебаний в сети (50 Гц).

Настройку колебательного контура лучше выполнить практически, а не по расчётам, чтобы убедиться в том, что данный колебательный контур действительно находится в резонансе с колебаниями сети. Для этого понадобится низкоомный амперметр. Если в хозяйстве нет амперметра на 20÷100 ампер, то можно в разрыв колебательного контура включить шунт сопротивлением приблизительно 0,05 Ом, подключить к нему осциллограф и установить величину реактивного тока в этом колебательном контуре. Значение реактивного тока в колебательном контуре может достигать десятков ампер. Затем, подключая параллельно к основному конденсатору любой конденсатор небольшой емкости, надо наблюдать, что происходит с амплитудой колебания тока в контуре. Если ток продолжает возрастать, то добавляем следующий конденсатор, пока ток в контуре не начнёт убывать. После чего удаляем этот последний конденсатор, измеряем общую ёмкость всех конденсаторов и заменяем их одним или двумя конденсаторами с мощными выводами, рассчитанными на большой реактивный ток.

Напомню о технике безопасности при работе с конденсаторами. Имея дело с полярными конденсаторами, помните, что их нельзя поодиночке включать в цепь переменного тока, а только парами, при условии, что они соединены последовательно и встречно. Это означает, что плюсовой вывод одного конденсатора нужно подключать к плюсовому выводу другого конденсатора или наоборот – соединять их вместе минусовыми выводами. Такие пары конденсаторов уже можно включать в цепь переменного тока, важно лишь, чтобы рабочее напряжение не превышало их паспортное значение.

Второй важный момент заключается в том, что надо следить за нагревом конденсаторов. Если нет возможности приобрести конденсаторы, рассчитанные на большую реактивную мощность (измеряемую в кВАр-ах), то допускается подключение конденсаторов, не рассчитанных на большой реактивный ток, но только на короткое время, при условии, что мы будем следить за их тепловым режимом и не допускать перегрева конденсаторов, что чревато их взрывом. Допускается нагрев до 60÷85º и более, в зависимости от типа конкретного конденсатора.

Итак, при подключенном к вторичной обмотке нашего сетевого трансформатора реактивном элементе — конденсаторе, ток и напряжение в колебательном контуре окажутся сдвинутыми по фазе почти на 900, при условии, конечно, что сечение провода вторичной обмотки и реактивная мощность конденсатора окажутся приличными. Интересно отметить одну важную деталь. Наш трансформатор не только не заметит подключение такого настроенного конденсатора, но и ток его потребления от сети значительно снизится. Об этом я скажу в конце этой работы.

Но, если вместо конденсатора к вторичной обмотке этого же трансформатора подключить активную нагрузку (например, лампочку накаливания), то напряжение и ток снова будут стремиться стать синфазными (сдвиг фаз между их колебаниями будет стремиться к нулю). При этом ток потребления трансформатора немедленно повысится, в соответствии с величиной мощности подключенной активной нагрузки.

При подключении активной нагрузки к вторичной обмотке, сердечник трансформатора намагничивается пропорционально величине тока в нагрузке, а при коротком замыкании вторичной обмотки он может войти в насыщение. При насыщении сердечника трансформатора его магнитные свойства резко снижаются, в результате индуктивность первичной обмотки резко снижается, что сопровождается резким возрастанием тока в первичной обмотке трансформатора и, соответственно, возрастает потребляемая трансформатором от сети мощность. Но реактивные элементы (катушки и конденсаторы), подключаемые параллельно вторичной обмотке трансформатора и настроенные в резонанс с колебаниями в сети, такого эффекта не вызывают (!), несмотря на то, что в цепи колебательного контура вторичной обмотки реактивные токи будут достигать десятков ампер! Возникает интересный вопрос: а можно ли как-то использовать свободные реактивные мощности, достигающие в колебательных контурах огромных значений?

Я не стану рассматривать здесь все виды нагрузок. Кому надо, сами найдёте нужную вам информацию в книгах или в Интернете. А здесь пойдёт речь о возможности аккумулирования и использовании реактивной энергии, свободно гуляющей по колебательному контуру.

А что если в момент, когда напряжение во вторичной обмотке равно нулю, подключить к ней через диод конденсатор и в течение первой четверти периода его заряжать, при условии, что данный конденсатор и вторичная обмотка трансформатора составляют колебательный контур с резонансной частотой 50 Гц? Следовательно, зарядить конденсатор нужно успеть за 20/4=5ms, то есть за первую четверть одного периода колебания (50 Гц).

Если конденсатор зарядится, то, когда напряжение в контуре достигнет максимального значения, нужно отключить конденсатор от вторичной обмотки, так как он больше не сможет зарядиться, а затем разрядить его на активную нагрузку в течение второй четверти периода длительностью 5 ms.

Если этот опыт удастся, то мы можем надеяться, что когда-нибудь сможем научиться использовать свободно гуляющую реактивную мощность в практических целях.

>Схема опыта Рис.3 Фото 1
Общий вид установки

Опыт

Данный опыт можно провести 1000-ю и 1-м способом, в зависимости от того, что в данный момент окажется у нас под рукой.

Мной для проверки этой идеи была собрана установка, показанная ниже на фото 1. Слева силовой трансформатор ТС-180. Видны два электролитических конденсатора ёмкостью по 2000 µF на 63 Вольта, соединенных встречно и последовательно. Напомню, что эти конденсаторы вместе с вторичной обмоткой трансформатора образуют колебательный контур 50 Гц. Они будут заряжаться свободной реактивной энергией и затем разряжаться на нагрузку. К ним подключена лампа накаливания 12 В, которая светится на краю стола. В центре на фото 1 виден силовой ключ р-п-р на радиаторе. Справа находятся пиковый детектор, детектор нуля и тиристор (их пока не видно).

Фото 2
Общий вид установки

Диод на трансформаторе служит для выделения одного полупериода для детектора нуля. Видно, что электролитические конденсаторы подключены к 10-му выводу вторичной обмотки трансформатора. Вторичная обмотка у всех трансформаторов такого типа состоит из двух половин, намотанных на двух катушках.

Задачей опыта является выделение первой четверти каждого периода колебания напряжения частотой 50 Гц. Когда начинается рост напряжения, происходит заряд конденсатора. Когда напряжение в контуре достигает пикового значения, транзисторный ключ закрывается и отпирается тиристорный, через который и происходит разряд его на лампу накаливания.

В схеме есть два силовых ключа – на транзисторе S1 и на тиристоре S2. Транзисторный ключ отпирается детектором нуля, а тиристорный ключ отпирается пиковым детектором. С помощью транзисторного ключа S1 производится заряд конденсатора, а через тиристорный ключ S2 происходит разряд конденсатора на активную нагрузку.

Фото 3

На фото 3 показана схема – «детектора нуля» на ТТЛ-логике для выделения управляющего сигнала ключом S1, представляющая собой два триггера Шмидта на логике 2И-НЕ, из того, что оказалось под рукой.

Рядом на фото показана работа детектора нуля. Видно, что эта схема выделяет первую четверть периода синусоиды, и формирует импульс обратной полярности. Крупным планом показана синусоида, представляющая собой колебания напряжения в сети на фоне прямоугольных импульсов, отмечающих моменты перехода синусоиды напряжения через нуль. Результативным является только один фронт, который на фото совпадает с началом роста положительного значения напряжения. Этим фронтом и отпирается силовой ключ S1 и от вторичной обмотки силового трансформатора ТР1 через диод D1 заряжается конденсатор С1.

Для наблюдения за сигналами напряжения был использован двухканальный осциллограф. Один его канал подключен непосредственно к вторичной обмотке напряжения трансформатора для наблюдения за формой сигнала напряжения в сети. Синхронизация осциллографа осуществлялась этим же сигналом. Второй канал осциллографа по мере необходимости подключался то к базе силового ключа S1, то к нагрузке – лампе накаливания (ЛН1).

В начале первого периода (когда в цепи вторичной обмотки напряжение равно нулю, а ток максимален), конденсатор подключается к цепи заряда, состоящей из вторичной обмотки Тр1 и диода D1. После этого напряжение во вторичной обмотке начинает возрастать до максимального значения, заряжая при этом конденсатор. Ключ S2 в это время закрыт.

Когда заканчивается первая четверть периода (в момент, когда в цепи вторичной обмотки, достигнут минимум тока и максимум напряжения), срабатывает пиковый детектор, который запирает транзисторный ключ S1 и отпирает тиристорный ключ S2, через который конденсатор соединяется с активной нагрузкой в виде лампы накаливания и на неё разряжается. Далее цикл повторяется снова. Таким образом, активная нагрузка оказывается всё время отключенной от трансформатора.

Фото 4 Фото 5

На фото 4 показан транзисторный р-п-р силовой ключ S1 – собранный по схеме Дарлингтона. На фото 5 представлена осциллограмма его работы. Здесь осциллограф подключен к базе ключа S1. На осциллограмме отчётливо виден сдвиг тока и напряжения по фазе в цепи транзистора. Синусоида крупным планом – это напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Ломанная полусинусоида – это полупериод тока, пропущенный диодом, который затем рвётся открывающимся прямоугольным импульсом силовым ключом S1 в момент прохождения синусоидой нуля напряжения. Здесь это хорошо видно.

Фото 7

На фото 7 представлен 4-х канальный пиковый детектор, для управления ключом S2, функцию которого выполняет тиристор. Используется только один его канал.

Фото 8 Фото 9

На фото 8 показан тиристорный силовой ключ S2, установленный на медном радиаторе, управляющий электрод которого подключен к пиковому детектору.

На фото 9 представлена осциллограмма работы тиристорного ключа S2. Видно, что как только заканчивается первая четверть периода, представленная горизонтальной линией, завершается зарядка конденсатора С1, после чего силовой ключ S1 закрывается и конденсатор С1 оказывается отключённым от цепи заряда. В это же время к конденсатору через тиристорный ключ S2 подключается нагрузка в виде лампочки накаливания ЛН1, на которую он разряжается. Процесс заряда представлен на осциллограмме в виде перевёрнутой экспоненты.

В работе схемы, конечно, есть недостаток в виде несоответствия величины заряда конденсатора и подключаемой к нему нагрузки. Это выражается в том, что экспонента разряда конденсатора к концу второй четверти не успевает полностью достичь нуля, что означает неполный разряд конденсатора, а это несколько ухудшает экономические показатели работы схемы.

Фото 10

На фото 10 показаны два встречно включенных электролитических конденсатора ёмкостью 1000 мкФ каждый (вся силовая часть схемы питается без выпрямителя, непосредственно переменным током).

Ниже на фото 11 показан тестер, фиксирующий величину тока потребления нашего трансформатора от сети в режиме холостого хода (то есть, когда от трансформатора отключены все элементы схемы).

Фото 11

Ток потребления холостого хода трансформатора составляет 80 мА. Ничего не поделаешь – такое качество было у советских телевизоров!

Фото 12 Фото 13

На фото 12 показан ток потребления этого же трансформатора, но уже под нагрузкой. Я уже говорил, что нагрузкой трансформатора является лампа накаливания. Мной было измерено в это время напряжение на лампе и ток. Они составили 4,8В и 0,9А соответственно, а потребляемая лампой мощность составляет 4,32 Вт.

Итак, лампа накаливания является активной нагрузкой и конкретно потребляет 4,3 Ватта. Но силовой трансформатор не только не замечает эту мощность, но и снижает ток потребления, по сравнению с током холостого хода. Это свидетельствует о возврате обратно в сеть части неиспользованной нами реактивной мощности!

Вывод: Цитата из упомянутого выше учебника по электротехнике не соответствует действительности. Важно отметить, что прокладывая в головах людей глубокую колею, выпускники этих учебных заведений уже больше не будут ни о чём другом помышлять и перечить «официальной науке». При этом, чем лучше была их успеваемость, тем глубже оказалась колея. Да и сами авторы многих книг и учебников, похоже, стали подобно трамваям ездить только по хорошо уложенным в учебных заведениях железным путям. Свернуть в сторону – для них это уже катастрофа. Все видели, когда трамвай сходит с рельсов?

В представленной работе на опыте доказано, что свободную реактивную энергию можно аккумулировать и затем успешно использовать для практических нужд. Кстати, для этого вовсе не обязательно использовать сеть 50 Гц. Подойдут и стоячие волны.

Да, у нас остались ещё неиспользованные резервы в виде:

1. точной подгонки всех номиналов используемых реактивных элементов;
2. оптимизации их совместной работы (увеличения тока, напряжения, сечения проводов и т.д.);
3. использования энергетических возможностей – третьей и четвёртой четверти второго полупериода колебания сети, аналогичного первого полупериода.

4. Другими словами величина мощности в этой установке может быть увеличена почти в два раза только за счёт добавки в электрической схеме.

   Надо понимать, что в данной работе представлен всего лишь один из великого множества способов захвата и практического использования свободной реактивной энергии.