Tekst - Kompensacja

Łukasz Matyjasek
ELMA energia
Kompensacja mocy biernej – podstawowe informacje
I. Cel kompensacji mocy biernej
Indukcyjne odbiorniki i urządzenia elektryczne w trakcie pracy pobierają z sieci energię
elektryczną czynną i bierną. Odpowiadają temu pojęcia składowych czynnej i biernej prądu
elektrycznego.
ICZ
ϕ
U
IB
I
Składowe prądu elektrycznego (ICZ – prąd czynny, IB – prąd bierny, I – prąd wypadkowy)
Energia elektryczna czynna jest wynikiem przemian energetycznych określonego surowca
energetycznego i może być zamieniona w inną postać energii (mechaniczną, cieplną),
użytkowaną w urządzeniu przemysłowym. Moc czynna pobierana przez urządzenie z sieci
trójfazowej wyrażona jest wzorem:
P = 3 × U × ICZ
Energia elektryczna bierna służy do wytworzenia pola elektromagnetycznego, niezbędnego
do działania silników indukcyjnych i transformatorów, i nie może być przemieniona w inną
postać energii - przepływa jedynie pomiędzy źródłami i odbiorami prądu przemiennego. Moc
bierna pobierana przez urządzenie z sieci trójfazowej wyrażona jest wzorem:
Q = 3 × U × IB
Wypadkową mocy czynnej i biernej (sumą geometryczną) jest moc pozorna S, wyrażona
wzorem:
S = P2 + Q 2 = 3 × U × I
Współczynnik mocy jest równy:
λ=
P
S
Przy zasilaniu napięciem i prądem sinusoidalnym, współczynnik mocy określany jest
jako kąt przesunięcia fazowego ϕ pomiędzy prądem a napięciem i przedstawiany jako
cosinus albo tangens tego kąta.
Przebieg napięcia i prądu sinusoidalnego przy
obciążeniu rezystywnym
Przebieg napięcia i prądu sinusoidalnego
przy obciążeniu indukcyjnym
Podstawowym źródłem mocy biernej są generatory w elektrowniach. Jednakże,
wytwarzanie tam energii biernej niesie za sobą wiele negatywnych skutków zarówno dla
dostawców energii, jak i dla jej odbiorców. Prąd bierny przepływający przez sieć przesyłową
powoduje zmniejszenie jej przepustowości oraz zwiększenie strat mocy. Dostawcy energii
elektrycznej rekompensują swoje straty poprzez narzucenie odbiorcom energii limitów mocy
biernej, których przekroczenie wiąże się z poniesieniem dodatkowych opłat. Dla większości
odbiorców energii, szczególnie dla zakładów przemysłowych o prostym systemie zasilającorozdzielczym, jest to podstawowy negatywny skutek.
Jednakże zakłady przemysłowe o rozbudowanej sieci rozdzielczej muszą liczyć się również
z innymi skutkami, takimi jak m.in.:
- zmniejszona przepustowość sieci rozdzielczej,
- straty mocy czynnej w transformatorach i kablach zasilających wynikające z przepływu
prądu biernego,
- spadki napięć w punktach odległych od źródła zasilania.
Prawidłowo dobrane urządzenia kompensacyjne pozwalają na zlikwidowanie powyższych
problemów.
Najbardziej efektywną metodą kompensacji mocy biernej indukcyjnej jest kompensacja
przez odbiory pojemnościowe, w szczególności kondensatory energetyczne lub
automatycznie regulowane baterie kondensatorów firmy ELMA energia.
II. Sposoby realizacji kompensacji mocy biernej
Istnieje wiele możliwości konfiguracji układów kompensacji mocy biernej, jednak można
wyróżnić trzy główne metody: indywidualna, grupowa i centralna.
Kompensacja indywidualna polega na bezpośrednim dołączeniu kondensatora do zacisków
kompensowanego urządzenia. Dzięki takiemu rozwiązaniu, sieć jest w maksymalnym stopniu
odciążona, gdyż moc bierna generowana jest przy samym odbiorniku. Kompensacja
indywidualna nie wymaga dodatkowych urządzeń sterujących, gdyż kondensator jest
załączany i wyłączany tym samym łącznikiem, co urządzenie. Wadą takiego rozwiązania jest
niewykorzystanie zainstalowanych kondensatorów w czasie, kiedy odbiorniki nie pracują, a
co za tym idzie potrzeba zainstalowania dużej ilości jednostek kondensatorowych.
Dodatkowo, typoszereg mocy produkowanych kondensatorów nie zawsze pozwala na
dopasowanie do zapotrzebowania odbiornika.
Bardziej efektywną metodą jest kompensacja grupowa, polegająca na objęciu kompensacją
grupy odbiorników zasilanych z jednej rozdzielni. Bateria kondensatorów jest zwykle
sterowana automatycznie. Automatyzacja procesu kompensacji mocy biernej wymaga
stosowania urządzeń zawierających oprócz kondensatorów także obwody pomiarowe,
zabezpieczające, sterujące mocą pojemnościową.
Kompensacja centralna polega na zainstalowaniu jednego urządzenia kompensacyjnego dla
całego zakładu (w stacji transformatorowej lub w rozdzielni głównej). Dzięki temu,
zminimalizowana jest całkowita moc bierna potrzebna do zainstalowania, zaś dzięki
zastosowaniu regulacji automatycznej – wartość współczynnika mocy jest utrzymywana na
poziomie bliskim zadanemu. Negatywnym aspektem jest obciążenie prądem biernym sieci
zasilająco-rozdzielczej, transformatorów oraz linii zasilających odbiorniki.
Wybór między zastosowaniem kompensacji indywidualnej, grupowej lub centralnej wymaga
analizy technicznej i gospodarczej warunków lokalnych w zakładzie. Obliczenia
ekonomiczne mogą przy tym wykazać celowość podziału baterii oraz jej lokalizacji po stronie
górnego czy też dolnego napięcia zasilania zakładu.
III. Ważne aspekty doboru baterii kondensatorów
1. Poziom harmonicznych w sieci zasilającej
Szerokie zastosowanie w przemyśle urządzeń energoelektronicznych, przede wszystkim
nieliniowych przekształtników (stacje prostownikowe trakcji elektrycznej, regulowane
napędy elektryczne, technika grzewcza), jak również takich odbiorników jak zgrzewarki,
spawarki i piece łukowe, wiąże się z generowaniem wyższych harmonicznych, czyli
przebiegów sinusoidalnych o częstotliwościach wyższych od częstotliwości podstawowej
(harmoniczna 3-cia: 150Hz, harmoniczna 5-ta: 250Hz, harmoniczna 7-ma: 350Hz itd.).
Przebieg odkształcony obecnością wyższych harmonicznych
Praca baterii kondensatorów w „zanieczyszczonej” sieci niesie za sobą duże zagrożenia
wynikające z:
- przeciążenia kondensatorów w związku z wyższą wartością skuteczną odkształconego
prądu (zgodnie z normami, kondensatory mogą pracować przy prądzie nie przekraczającym
130% prądu znamionowego),
- możliwości wystąpienia rezonansu pomiędzy pojemnością baterii a indukcyjnościami sieci
zasilającej, co może powodować powstawanie prądów o wartościach zbliżonych do
zwarciowych.
Możliwość wystąpienia rezonansu można oszacować obliczając częstotliwość rezonansową
fr układu: sieć zasilająca-bateria kondensatorów, czyli taką częstotliwość dla której reaktancja
układu wyniesie zero:
Gdzie: Szw - moc zwarciowa systemu w miejscu zainstalowania baterii wyrażona w MVA; Q moc baterii wyrażona w MVar; f1 – częstotliwość harmonicznej podstawowej [Hz].
W sieciach, w których przebiegi napięć i prądów odkształcone są przez występujące wyższe
harmoniczne stosowane są baterie z dławikami rezonansowymi.
W urządzeniach tego typu, w układ kondensatorów włączany jest szeregowo dławik,
którego indukcyjność z pojemnością kondensatorów tworzą obwód rezonansowy o
częstotliwości rezonansowej własnej fr. Dla częstotliwości mniejszych od fr, w tym dla
częstotliwości podstawowej 50Hz, układ posiada charakter pojemnościowy (kompensuje moc
bierną indukcyjną). Dla częstotliwości powyżej wartości fr, obwód dławik-kondensatory
posiada charakter indukcyjny, uniemożliwiając dla tych częstotliwości wystąpienie rezonansu
w obwodzie bateria – sieć.
W filtrach odstrojonych parametry LC dobierane są tak, aby częstotliwość rezonansowa
własna fr baterii przyjmowała wartość poniżej częstotliwości odpowiadającej najniższemu
rzędowi zarejestrowanych w sieci wyższych harmonicznych. Przykładowo, jeżeli w sieci
zarejestrowano harmoniczne: 5h, 7h, 11h, 13h.... parametry L i C filtra dobierane są tak, aby
uzyskać częstotliwość rezonansową w przedziale od 174Hz do 210Hz (najczęściej 189Hz).
Filtry odstrojone stosuje się najczęściej w automatycznie regulowanych bateriach
wieloczłonowych.
W filtrach dostrojonych, czyli pasywnych filtrach wyższych harmonicznych, częstotliwość
rezonansowa własna fr zbliżona jest, maksymalnie z dokładnością na jaką pozwala tolerancja
zastosowanych parametrów LC, do częstotliwości filtrowanej wyższej harmonicznej.
Przy analizie możliwości pracy baterii kondensatorów bez dławików rezonansowych należy
brać pod uwagę fakt, że wyższe harmoniczne mogą być generowane zarówno przez
odbiorniki w zakładzie, jak i wpływać z sieci rozdzielczej (szczególnie w okolicy dużych
zakładów przemysłowych), stąd też przed przystąpieniem do niej zalecane jest wykonanie
niezbędnych pomiarów analizatorem sieci na obecność harmonicznych w napięciu i prądzie
zasilającym. Jako, że szeregowe połączenie kondensatora z dławikiem powoduje
podwyższenie napięcia na zaciskach kondensatora, w bateriach kondensatorów z dławikami
rezonansowymi zastosowane muszą być jednostki kondensatorowe o wyższym napięciu
znamionowym niż napięcie sieci (na przykład, w baterii na napięcie 400V o częstotliwości
rezonansowej 189Hz należy zastosować jednostki kondensatorowe o napięciu znamionowym
450V). W związku z tym, po zainstalowaniu baterii kondensatorów bez dławików nie ma
prostej możliwości doposażenia jej w dławiki w przypadku, gdy wyniknie taka konieczność.
2. Wartość napięcia zasilania
Kondensatory są odbiornikami bardzo czułymi na podwyższone napięcie. Wartością
dopuszczalną trwale utrzymującego się napięcia na zaciskach kondensatora jest 110%
wartości znamionowej przez 8 godzin dziennie. Przekroczenie tej wartości spowoduje
przyśpieszone starzenie się jednostki kondensatorowej lub jej zniszczenie.
Jako ochronę przepięciową można zastosować odpowiednio dobrane ograniczniki przepięć,
instalowane na zasilaniu baterii, które "ucinają" impulsy napięciowe i absorbują energię.
Jednakże ich zastosowanie nie chroni przed długotrwałym wzrostem napięcia powyżej 110%
wartości znamionowej, gdyż przy takim napięciu ogranicznik nie zareaguje.
W bateriach kondensatorów regulowanych automatycznie funkcję zabezpieczenia
kondensatorów przed wzrostem napięcia powyżej dopuszczalnej wartości przejmuje
regulator, który w takich sytuacjach odłącza człony baterii.
3. Dynamika zmian obciążenia
Przy doborze baterii kondensatorów automatycznie regulowanych, należy brać pod uwagę
dynamikę zmian obciążenia. W przypadku obciążeń szybkozmiennych, czyli takich których
pobór mocy i czynnej jest gwałtowny, baterie kondensatorów załączane łącznikami
mechanicznymi mogą okazać się niewystarczające, zarówno w związku z czasem koniecznym
na rozładowanie kondensatorów (1 minuta dla kondensatorów niskich napięć, 5 minut dla
kondensatorów średnich napięć), jak i ograniczoną żywotnością łączników mechanicznych.
W takich przypadkach należy stosować baterie kondensatorów załączane łącznikami
półprzewodnikowymi (tyrystorowymi).
IV. Dobór mocy baterii kondensatorów do kompensacji grupowej/centralnej
Przy doborze urządzeń do kompensacji grupowej i centralnej, szczególnie w mniejszych
zakładach przemysłowych, korzysta się ze wzoru:
Qk = P(tgϕ1 − tgϕ2 ) ,
gdzie: Qk – moc bierna potrzebna do zainstalowania,
P – moc czynna pobierana przez odbiornik/odbiorniki,
tgϕ1 – współczynnik mocy przed kompensacją
tgϕ2 – współczynnik mocy po kompensacji.
Istnieje kilka szkół określających jakie wartości należy podstawić do powyższego wzoru:
-
-
z rachunków za energię elektryczną wybierany jest rachunek z miesiąca o
szczytowym poborze mocy czynnej; odczytywana jest z niego wartość maksymalnej
mocy czynnej pobranej oraz wartość osiągniętego współczynnika mocy. Jako
docelowy współczynnik mocy przyjmuje się wartość tangensa narzuconą przez
dostawcę energii. Wadą tego rozwiązania jest to, że wartość współczynnika mocy
wskazana na rachunku jest wartością średnią, tak więc wartość mocy biernej
potrzebnej do zainstalowania jest niższa niż rzeczywista. Aby uniknąć
niedokompensowania, stosowane są współczynniki korekcyjne (od 1,1 do 1,35),
przez które mnoży się otrzymaną wartość. Inną wadą jest fakt, że w ten sposób nie
można określić optymalnego stopnia regulacji urządzeń automatycznie
regulowanych;
określa się łączną moc czynną odbiorników oraz ich naturalne wartości
współczynnika mocy, dla każdej z nich określa się wartość mocy biernej do
zainstalowania a następnie sumuje; tak jak w przypadku powyższym, jako docelowy
współczynnik mocy przyjmuje się wartość tangensa narzuconą przez dostawcę
energii. Wadą tego sposobu jest przede wszystkim to, że pomijany jest fakt, że
rzadko się zdarza aby wszystkie obciążenia pracowały jednocześnie, powodując
często poważne przewymiarowanie urządzeń kompensacyjnych. Dodatkowo, często
zakłady przemysłowe nie posiadają lub nie chcą udostępniać dokładnych danych
urządzeń zainstalowanych w sieci rozdzielczej.
Dla zakładów przemysłowych, w których realizacja układu kompensacji mocy biernej
wymaga poważnych nakładów finansowych, moc oraz stopień regulacji urządzeń do
kompensacji mocy biernej dobierane są na podstawie kilkudniowych pomiarów parametrów
energetycznych sieci, w celu dokładnego określenia mocy i konfiguracji układu.