Kompensacja mocy biernej

Szczegóły

Nadrzędna kategoria: Artykuły

Opublikowano: niedziela, 15, wrzesień 2013 10:45

Większość odbiorników prądu przemiennego pobiera moc i energię czynną, a także moc i energię bierną pulsującą między układem zasilającym a odbiornikiem. Oczywistym jest, że moc czynna jest w całości przetwarzana na pracę urządzenia oraz straty cieplne. Natomiast moc bierna nie wykonuje żadnej pracy, wpływa natomiast, a nawet warunkuje poprawne działanie odbiorników.

W poniższym artykule podano podstawowe informacje związane z mocą bierną, omówiono metody jej kompensacji, a także przedstawiono wpływ mocy biernej na koszty energii elektrycznej. Często bowiem okazuje się, że zamiana klasycznych odbiorników na urządzenia energooszczędne może przynieść zupełnie odwrotny efekt: koszty energii po modernizacji wzrosną. Wynika to głównie z tytułu wzrostu zapotrzebowania na moc bierną.

Dlaczego kompensujemy moc bierną

Udział składowej biernej prądu w prądzie całkowitym określa się za pomocą współczynnika mocy cosφ. Wartość tego współczynnika może kształtować się w granicach 0,1-1. Zawsze należy dążyć do tego, aby jego wartość była jak najbliższa lub równa 1. Praca odbiorników przy małym cosφ powoduje m.in.:

• zwiększony pobór prądów roboczych przez urządzenia w porównaniu do pracy przy tej samej mocy czynnej i ze współczynnikiem mocy cosφ=1;
• grzanie przewodów zasilających i ich zabezpieczeń, co stwarza zagrożenie pożarowe;
• zwiększenie grzania urządzeń zasilających takich jak transformatory;
• wzrost spadków napięć.

Wymienione powyżej problemy wynikające ze stosowania urządzeń o niskim współczynniku mocy skutkują:

• koniecznością stosowania przewodów o większych przekrojach;
• koniecznością stosowania aparatów i urządzeń elektrycznych o większych prądach znamionowych i większych dopuszczalnych prądach zwarciowych;
• przewymiarowaniem urządzeń zasilających takich jak transformatory czy zespoły prądotwórcze;
• zmniejszeniem przepustowości sieci zasilających;
• zwiększeniem strat energii w transformatorach, sieciach oraz instalacjach odbiorczych;
• zwiększeniem spadków napięć w transformatorach i liniach zasilających.

Moc bierną można podzielić na moc bierną indukcyjną oraz pojemnościową. Jeszcze do niedawna można było śmiało twierdzić, że w instalacjach elektrycznych w budynkach mieszkalnych współczynnik mocy jest bliski jedności. Dziś takie stwierdzenie jest dość ryzykowne, ponieważ często zamiast odbiorników klasycznych są montowane urządzenia energooszczędne będące źródłem wyższych harmonicznych i w konsekwencji zwiększające zapotrzebowanie na moc bierną.

Głównymi odbiornikami mocy i energii biernej w zakładach przemysłowych są silniki i transformatory.

Przepływ energii biernej od źródła zasilania do odbiornika powoduje dodatkowe zużycie energii czynnej wskutek strat. Straty wyraża się tzw. współczynnikiem mocy biernej k_e, który to wyznacza potrzebną energię czynną wyrażoną w kWh na wytworzenie oraz przesłanie 1 kVarh energii biernej. Wartości współczynnika strat zależne są od długości drogi przesyłu, jej parametrów, a przede wszystkim od liczby stopni transformacji napięcia i wahają się od około 0,02 do 0,15.

Jednym ze sposobów ograniczenia poboru mocy biernej jest usprawnienie eksploatacji urządzeń i odbiorników. Jest to tzw. „naturalna” metoda kompensacji i polega na:

• dopasowaniu mocy silników i transformatorów do wartości rzeczywiście niezbędnych;
• wyłączaniu nieobciążonych silników i transformatorów (jeśli pozwalają na to inne warunki);
• niedopuszczeniu do długotrwałych dodatnich odchyleń napięcia zasilającego.

Jeśli wymienione powyżej naturalne metody kompensacji nie są wystarczające, należy zainstalować specjalne urządzenia kompensacyjne, których podział przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Urządzenia kompensacyjne

Kompensację mocy biernej można realizować instalując w różnych miejscach dodatkowe źródła tej energii, co przedstawiono na rysunku 2.

W punkcie oznaczonym na rysunku 2 cyfrą 1 mamy do czynienia z kompensacją centralną, punkt 2 to kompensacja grupowa. Natomiast w punkcie 3 zastosowano tzw. kompensację indywidualną. Najbardziej pełne efekty kompensacji uzyskuje się przy kompensacji indywidualnej. W praktyce nie ma konieczności kompensacji mocy biernej do zera, gdyż przy małej wartości kąta przesunięcia fazowego (φ) wzrost prądu jest niewielki w stosunku do przypadku, gdy pobierana byłaby tylko moc czynna, a co za tym idzie straty mocy w liniach rosną nieznacznie. Wraz ze wzrostem kąta prąd narasta jednak coraz szybciej, dlatego przyjęto umowną granicę, przy której straty są jeszcze akceptowalne i określono ją tangensem kąta przesunięcia fazowego (φ) o wartości 0,4. Nieco inaczej postąpiono w przypadku poboru mocy biernej pojemnościowej. Pomimo że wzrost prądu dla małych wartości kąta φ jest niewielki, nie dopuszcza się tzw. przekompensowania. Dzieje się tak, ponieważ pobór mocy biernej pojemnościowej wywołuje wzrost napięcia w punkcie przyłączenia w stosunku do napięcia źródła zasilania, istnieje więc ryzyko przekroczenia przez napięcie dopuszczalnych wartości.

Rys. 2. Różne rodzaje kompensacji mocy biernej

Urządzenia kompensacyjne

Jako pierwsze zostaną przedstawione energoelektroniczne filtry aktywne, które dzieli się na filtry równoległe bądź szeregowe. Filtry równoległe pozwalają na nadążną:

• likwidację składowej biernej prądu odbiorników;
• likwidację wyższych harmonicznych prądu;
• symetryzację obciążenia.

W przypadku aktywnych filtrów szeregowych można natomiast uzyskać nadążną:

• filtrację wyższych harmonicznych napięcia;
• symetryzację napięcia;
• kompensację reaktancji indukcyjnej układu zasilającego.

Filtry aktywne należą niestety do urządzeń dość kosztownych. Dlatego alternatywą dla ich stosowania są zdecydowanie tańsze układy hybrydowe, dające równie dobre efekty kompensacyjne i filtrację wyższych harmonicznych. Układy hybrydowe są połączeniem filtrów aktywnych oraz pasywnych. Do filtrów pasywnych zalicza się kompensatory LC zbudowane na bazie kondensatorów energetycznych.

W przypadku maszyn synchronicznych i asynchronicznych maszyn synchronizowanych wykorzystuje się zjawisko oddawania mocy biernej pojemnościowej przy odpowiednio wysokiej wartości prądu wzbudzenia (przewzbudzenie maszyny synchronicznej). Pozyskiwanie energii biernej przy wykorzystywaniu napędów synchronicznych wiąże się ze stosunkowo wysokimi stratami mocy czynnej. Straty te mogą osiągnąć poziom od 80 do 120 kW na 1 MVar mocy biernej pojemnościowej.

Kolejnym i dziś najchętniej stosowanym urządzeniem kompensacyjnym jest bateria kondensatorów, którą nieco szczegółowiej przedstawiono poniżej.

Baterie kondensatorów do kompensacji mocy biernej

Kondensatory służące do kompensacji mocy biernej charakteryzują się możliwością instalowania w dowolnych miejscach sieci i instalacji, możliwością budowy baterii kondensatorów o dowolnej mocy czy też prostym montażem i łatwą obsługą. Jednak jak każde urządzenia elektryczne mają także wady, do których przede wszystkim należy zaliczyć wrażliwość na harmoniczne wyższych rzędów występujące w napięciu zasilającym oraz generowanie przetężeń i przepięć przy załączaniu baterii oraz przepięć przy jej wyłączaniu.

Ponieważ obciążenie urządzeń i instalacji zmienia się w ciągu doby, należy do tak zmieniającego się obciążenia dopasować moc urządzeń kompensacyjnych przy kompensacji innej niż indywidualna. Dlatego też często dokonuje się podziału baterii kondensatorów na dwa lub więcej członów o różnych mocach. Na rysunku 3 przedstawiono przykładową kompensację mocy biernej za pomocą trójczłonowej baterii kondensatorów. Zmiana mocy baterii najczęściej odbywa się za pomocą specjalnych sterowników, które oprócz członu pomiarowego wyposażone są w człon zwłoczny i wykonawczy. Zadaniem członu pomiarowego jest pomiar jednej lub kilku wielkości takich jak: napięcie, prąd, moc bierna, moc czynna czy współczynnik mocy cosφ. Człon ten po porównaniu wielkości zmierzonych z wielkościami zadanymi „stwierdza”, czy należy dokonać przełączenia baterii. Jeśli tak, wysyła impuls do członu opóźniającego, którego głównym zadaniem jest zapewnienie koniecznej przerwy potrzebnej na rozładowanie baterii przed jej ponownym załączeniem. Po tym niezbędnym opóźnieniu impuls przekazywany jest do członu wykonawczego, który to „wybiera” odpowiedni człon baterii kondensatorowej powodując jej załączenie do instalacji.

Rys. 3. Kompensacja za pomocą baterii trójczłonowej

W przypadku gdy kompensacja jest indywidualna, rozładowanie kondensatorów następuje na ogół przez impedancję odbiorników, a gdy takie zjawisko nie zachodzi, to do rozładowania kondensatorów stosuje się oporniki przyłączone do ich zacisków na stałe.

Sposób doboru baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej ma ogromny wpływ na ich późniejszą eksploatację i trwałość, a co za tym idzie − na koszty poniesione przez użytkownika. Dziś stosowana jest coraz większa liczba urządzeń wprowadzających do sieci wyższe harmoniczne. Z tego też względu dobór baterii kondensatorów w pierwszej kolejności opiera się na określeniu warunków, w jakich bateria będzie pracować i na jakie zagrożenia będzie narażona. Dopiero w kolejnym etapie określa się niejako moc baterii kondensatorów. Aby wykonać jednak pierwszy krok w doborze baterii kondensatorów, wykonuje się pomiary parametrów sieci w miejscu jej przyłączenia. W zależności od powtarzalności cyklu produkcji i czasu jego trwania, czas wykonywania pomiarów jest różny:

• w przypadku zmiennego cyklu produkcji pomiary należy wykonywać tak, aby obejmowały przynajmniej jeden pełen cykl produkcyjny (zaleca się pomiary trwające 3-4 dni);
• jeśli cykl produkcyjny jest stały, pomiar powinien trwać co najmniej dobę i nie powinien być krótszy niż jeden cykl;
• dla obiektów biurowych i budynków komunalnych pomiar powinien trwać co najmniej 1 dobę;
• dla odbiorców o mocach poniżej 30 kW czas trwania pomiaru zależny jest od rodzaju obiektu, ilości odbiorników i cyklu produkcji. Pomiar taki może trwać od kilku godzin nawet do 1 doby.

Dobór baterii kondensatorów przy wykorzystaniu pomiarów parametrów sieci jest najdokładniejszą metodą oszacowania wielkości baterii. Oprócz tego do doboru baterii można wykorzystać metodę obliczeniową lub określić baterię na podstawie wartości tgφ odczytanego z faktury za energię elektryczną – jest to tzw. metoda danych z faktury. Obie z tych metod są zdecydowanie mniej precyzyjne od metody bazującej na pomiarach sieci.

Prawidłowo dobrana i wykonana bateria kondensatorów powinna pracować kilkanaście lat, tracąc niewiele ze swojej pojemności. Jeżeli bateria przestaje działać po kilku miesiącach lub kilku latach oznacza to, że została źle dobrana. Zazwyczaj uszkodzenie baterii jest całkowite, a wymiana uszkodzonych kondensatorów nie ma sensu, gdyż one również szybko ulegną awarii. Zdarza się jednak, że dobrana bateria nie działa prawidłowo. Przyczyn nieprawidłowego działania urządzenia kompensacyjnego zbudowanego z baterii kondensatorów może być wiele, choć najczęściej są to niewłaściwy dobór lub montaż baterii.

Jeśli wynikiem kompensacji jest ujemna wartość współczynnika mocy cosφ to oznacza, że nastąpiło przekompensowanie, które jest szkodliwe zarówno dla urządzeń zasilanych jak i sieci zasilającej. Głównymi powodami przekompensowania są: duża pojemność kabli, niewłaściwe podłączenie układu pomiarowego, podłączenie równoległe do pracy transformatorów, które nie są do tego przygotowane oraz urządzenia przenoszące w niektórych warunkach moc bierną pojemnościową (np. niedociążone UPS-y).

Baterie kondensatorów dzieli się na następujące grupy:

• baterie zwykłe: baterie o najprostszej konstrukcji, które mogą być stosowane wyłącznie tam, gdzie odkształcenia napięcia i prądu są niewielkie i nie występuje zjawisko rezonansu z siecią. W przypadku zastosowania tego typu baterii w środowisku, gdzie te wymagania nie są spełnione, bateria bardzo szybko ulega zniszczeniu;
• baterie wzmocnione: baterie o podobnej konstrukcji jak baterie zwykłe, jednak zastosowano w nich kondensatory o podwyższonej wytrzymałości. Dzięki temu można je stosować w środowisku o podwyższonym poziomie odkształceń, nie nadają się jednak do stosowania tam, gdzie występuje rezonans baterii z siecią;
• baterie dławikowe (z dławikami odstrajającymi): baterie z dodatkowymi dławikami, które chronią kondensatory przed zniszczeniem na skutek odkształceń prądu i napięcia. Można je stosować wszędzie tam, gdzie występują znaczne odkształcenia prądu i napięcia oraz istnieje ryzyko wystąpienia rezonansu z siecią;
• baterie z łącznikami tyrystorowymi: baterie, gdzie w miejsce styczników zastosowano łączniki tyrystorowe, dzięki czemu reagują one bardzo szybko na zmiany obciążenia. Ze względu na ich znaczny koszt są stosowane wyłącznie tam, gdzie następują bardzo duże zmiany mocy biernej w krótkim czasie i baterie tradycyjne nie dają zadawalających efektów.

Bateria kondensatorów jest sprawdzonym rozwiązaniem. Pojawienie się nowoczesnych elektronicznych liczników energii elektrycznej spowodowało, że rozliczeniem za energię bierną indukcyjną zostali objęci również mniejsi odbiorcy. Skuteczność baterii jest w 100% sprawdzona, a warunkami sukcesu są prawidłowy dobór urządzenia i jego poprawna instalacja.

(...)

Robert Gabrysiak

Pełna wersja artykułu w Elektroinstalatorze 09/2013