1. Podstawowe informacje dotyczące kompensacji mocy biernej.
Większość odbiorników prądu przemiennego pobiera moc i energię czynną,
przetwarzaną na pracę użyteczną i ciepło strat, oraz moc i energię
bierną, pulsującą pomiędzy układem zasilającym a odbiornikiem, nie
wykonującą żadnej pracy, lecz warunkującą działanie tych odbiorników.
Uznaną powszechnie miarą udziału składowej biernej prądu w prądzie
całkowitym jest współczynnik mocy .
Praca odbiorników przy małej wartości współczynnika mocy oznacza, że
pobierają one większe prądy robocze niż jest to konieczne przy tej samej
wartości mocy czynnej i współczynnika mocy bliskim jedności. Powoduje to
następujące skutki ujemne:
-
konieczność instalowania urządzeń wytwórczych i przetwórczych
(generatorów, transformatorów) o większych mocach (prądach)
znamionowych, konieczność stosowania aparatów o większych prądach
znamionowych oraz przewodów o większych przekrojach;
-
zwiększone straty energii czynnej w transformatorach, liniach
zasilających, instalacjach elektrycznych i obwodach odbiorczych(
 );
-
zwiększone spadki napięć w transformatorach i liniach zasilających,
szczególnie istotne w elementach sieci o względnie dużej reaktancji;>
-
ponoszenie opłat za ponadnormatywny pobór mocy biernej (określany w
rozliczeniach z Zakładem Energetycznym wielkością
 ).
Należy
dążyć do ograniczenia poboru mocy i energii biernej do wartości
niezbędnych na magnesowanie i pokrycie strat w warunkach
znamionowych. Jednym z tzw. sposobów naturalnych jest usprawnienie
eksploatacji urządzeń i odbiorników, polegające na:
-
dopasowaniu mocy silników i transformatorów do mocy rzeczywiście niezbędnych
-
wyłączaniu nieobciążonych silników i transformatorów, jeżeli pozwalają na to inne warunki;
-
niedopuszczeniu do długotrwałych dodatnich odchyleń napięcia zasilającego.
Działania
te mogą okazać się niewystarczające i wtedy konieczne jest
instalowanie specjalnych urządzeń kompensacyjnych, wytwarzających
"na miejscu" energię bierną (rys. poniżej). Moc urządzeń do
kompensacji mocy biernej, przy współczynniku mocy
 przed kompensacją
i  po kompensacji (rys.c), należy wyznaczyć wg zależności:
w której P - moc czynna kompensowanego odbiornika.
Współczynnik mocy po kompensacji powinien wynosić 0,90 ÷ 0,98
Nie powinno jednak występować tzw. przekompensowanie (ujemna
wartość ), które może powodować m.in. trwałe dodatnie odchylenie
napięcia oraz nieprawidłową pracę niektórych urządzeń. Kompensację
mocy biernej można zrealizować przy zastosowaniu:
-
baterii kondensatorów,
-
silników synchronicznych
lub indukcyjnych synchronizowanych,
-
kompensatorów synchronicznych.
Powrót do góry
2. Problem wyższych harmonicznych
Krótkie omówienie sposobu powstawania, wpływu na niektóre urządzenia i
sposobów postępowania z wyższymi harmonicznymi w wewnętrznej sieci
elektroenergetycznej.
-
Informacje ogólne :
Szybki rozwój techniki w dziedzinie energetycznych układów zasilających, a
zwłaszcza urządzeń napędowych zaowocował we współczesnym zakładzie
przemysłowym dużą ilością różnego rodzaju przekształtników.
Zwykle są to zasilacze awaryjne, komputery, falowniki, prostowniki, i
wiele innych urządzeń, (czasem tak prostych jak lampy wyładowcze jak np.
świetlówki, rtęciówki, itp.).
Wspólną cechą tych urządzeń jest nieliniowa charakterystyka prądowo -
napięciowa - a zatem pobór z sieci prądu o kształcie innym niż
sinusoidalny.
-
Czym są wyższe harmoniczne?:
Przykład :
Zasilacz w postaci transformatora, mostka Graetza i
kondensatora Rys.1. (stosowany w większości radioodbiorników, telewizorów,
komputerów i innych urządzeń), pobiera z sieci prąd w okresie od (1) do
(2) a więc w czasie doładowania kondensatorów. W okresie (2) do (3)
energia do zasilania odbiornika pobierana jest z kondensatora.
Rys.1.
Widać stąd zatem iż pobierany z sieci prąd jest niesinusoidalny i
nieciągły. Kondensator zaś doładowywany jest z częstotliwością 100 Hz. Z
teorii wynika iż odkształcony (czyli niesinusoidalny) prąd można rozłożyć
na składowe - które są prądami o częstotliwościach będących
wielokrotnością częstotliwości podstawowej (czyli w tym przypadku
sieciowej). Częstotliwości te nazywamy wyższymi harmonicznymi. W przypadku
gdy moc urządzenia pobierającego z sieci zniekształcony prąd jest duża -
mogą pojawić się w sieci zasilającej odkształcenia napięcia. Wówczas każdy
przyłączony do tej sieci odbiornik - zarówno o charakterze czynnym, jak i
biernym będzie zasilany zniekształconym (niesinusoidalnym) napięciem.
Wiele urządzeń nie jest w stanie poprawnie funkcjonować w takich warunkach
- a niektóre z nich mogą ulec uszkodzeniu lub zniszczeniu. Znane są nam
wypadki błędnej pracy sterowników maszyn i linii technologicznych, a także
przypadki uszkodzeń tych urządzeń spowodowane zasilaniem ich silnie
odkształconym napięciem. Wiele krajów ma normy limitujące dopuszczalny
poziom harmonicznych w prądzie pobieranym przez urządzenie przyłączone do
wspólnej sieci energetycznej. W Polsce taka norma jest już od kilku lat
przygotowywana i niebawem wejdzie w życie. Skutek oddziaływania wyższych
harmonicznych na odbiornik zależy przede wszystkim od rodzaju tego
odbiornika. Np. W zasilaczach awaryjnych i komputerach (zwykle na skutek
przepływu dużego prądu o częstotliwości rezonansowej) następuje
uszkodzenie filtra sieciowego. W innych urządzeniach również występują
możliwości rezonansu na różnych częstotliwościach. Niektóre urządzenia
energoelektroniczne mogą przestać funkcjonować np. na skutek błędów
komutacji łączników, np. tyrystorowych. Wiele sterowników urządzeń
technologicznych ma zasilacze niedostatecznie zabezpieczone przed
zakłóceniami - co może spowodować uszkodzenie lub zniszczenie tych
urządzeń.
SZCZEGÓLNY WPŁYW MAJĄ WYZSZE HARMONICZNE NA KONDENSATORY I BATERIE
KONDENSATORÓW.
Wynika on z fizycznych właściwości kondensatora tj. jego reaktancji. Jak
pamiętamy opór bierny pojemnościowy kondensatora jest odwrotnie
proporcjonalny do częstotliwości prądu przepływającego przez kondensator
Xc = 1/2pfC Zatem np. dla 7 harmonicznej (350Hz) jego reaktancja jest
siedem razy mniejsza niż wtedy gdy zasilany jest napięciem o
częstotliwości 50 Hz. Biorąc pod uwagę, że przez kondensator płynie prąd
złożony z wielu składowych (każda o innej częstotliwości) jest bardzo duże
prawdopodobieństwo, że zostanie on przeciążony prądem znacznie większym od
dopuszczalnego 1,3 Jn.
-
Jakie są skutki oddziaływania wyższych harmonicznych?:
Dodatkowo może wystąpić zjawisko rezonansu (między kondensatorem lub
baterią, a indukcyjnością sieci i przyłączonych do niej urządzeń), a takie
zjawisko prawie zawsze powoduje uszkodzenie zabezpieczeń baterii (a gdy są
one nieprawidłowo dobrane - zniszczenie kondensatora). (Rezonans jest
związany ze znacznym nawet kilkunastokrotnym wzrostem wartości prądu o
danej częstotliwości w obwodzie rezonansowym) gdyż reaktancja tego obwodu
staje się bliska zera.
 Rys.2.
Dodatkowym czynnikiem utrudniającym osobie o niezbyt dużym doświadczeniu -
wykrycie omawianego zjawiska jest fakt że znaczna większość amperomierzy,
w tym również cęgowych - pokazuje poprawnie jedynie prąd o częstotliwości
50 Hz. Zatem po wynikach takiego pomiaru nie widać alarmującego stanu
przeciążenia kondensatorów. Rzeczywistą wartość prądu można zmierzyć
jedynie miernikiem wyposażonym w funkcję [RMS] czyli pomiaru rzeczywistej
wartości skutecznej. Mierniki takie są zwykle 2 - 2,5 raza droższe od
"zwykłych" (zatem rzadko znajdują się na wyposażeniu służb utrzymania
ruchu w zakładach).
METODY POSTĘPOWANIA.
Aby wyeliminować pobór odkształconego prądu z sieci w pierwszym rzędzie
należy zwracać baczną uwagę przy zakupie nowych urządzeń zawierających
przekształtniki - czy pobierają one sinusoidalny czy zniekształcony prąd i
jeśli zniekształcony to jak bardzo. (Współczesne urządzenia
energoelektroniczne liczących się firm pobierają z sieci prąd zbliżony do
sinusoidalnego - są jednak nieco droższe). Należy pamiętać, że na skutek
wielkiej ilości różnych urządzeń w sieci, z których każde ma jakąś
indukcyjność, pojemność i inne parametry - dobór filtrów do sieci jest
procesem bardzo skomplikowanym i pracochłonnym a efekt nie zawsze jest w
pełni zgodny z oczekiwaniami (np. w międzyczasie zmieniona zostanie
konfiguracja sieci). Jeżeli oprócz problemu z harmonicznymi występuje
problem z kompensacją mocy biernej można poradzić sobie z nim montując
specjalną baterię kondensatorów wyposażoną w dławiki tłumiące wyższe
harmoniczne. Dobór tych dławików musi być poprzedzony analizą wyższych
harmonicznych - którą w takich sytuacjach zwykle wykonujemy.
 Rys.3.
Wyniki przykładowej analizy harmonicznych w prądzie pobieranym przez
zasilacz typu UPS.
Bateria taka jest ponad dwukrotnie większa i droższa od baterii bez
dławików - niemniej jednak nie ma innego sposobu kompensacji mocy biernej
za pomocą kondensatorów przy dużym odkształceniu napięcia zasilającego.
 Rys.4.
Prąd płynący przez baterię kondensatorów przyłączoną do sieci z
odkształconym napięciem
a) bateria bez filtrów (znaczne przeciążenie kondensatorów powyżej 1,3 In)
b) bateria z filtrami.
W przypadku gdy nie zależy nam na kompensacji mocy biernej, a jedynie na
ograniczeniu wartości prądów o częstotliwościach harmonicznych - stosujemy
filtry.
Filtr zbudowany jest z odpowiedniej liczby gałęzi, a każda gałąź z
kondensatora i dławika o parametrach dobranych do częstotliwości bliskiej
rezonansowej dla danej gałęzi.
Przykładowy schemat czterogałęziowego filtru 5, 7, 11 i 13 harmonicznej
przedstawiono na rys.5.
Zarówno dobór odpowiedniej baterii wyposażonej w dławiki, jak i projekt
niezależnego filtra wyższych harmonicznych musi być poprzedzony
kompleksową analizą sieci, także pod kątem zawartości wyższych
harmonicznych i ich rozpływu w sieci.
 Rys.5.
W sieciach, gdzie zamontowanych jest kilka lub kilkanaście urządzeń
generujących wyższe harmoniczne - ocena sytuacji nawet na podstawie
skomplikowanych pomiarów jest dość złożona.
Należy również mieć na uwadze fakt iż moc potocznie określana jako bierna
jest w rzeczywistości mocą dystorsji D - a ta dopiero składa się z mocy
biernej Qb i mocy zniekształceń K - zwanej także mocą deformacji.
 Rys.6.
Czworościan mocy. O ile moc bierną - możemy kompensować za pomocą
kondensatorów - to moc zniekształceń mogą kompensować jedynie specjalne
układy kompensatorów aktywnych - wyposażone w szybkie łączniki bezstykowe.
W przypadku potrzeby rozwiązania problemów związanych z kompensacją mocy
biernej w sieciach zawierających wyższe harmoniczne, a także w sprawach
filtrów wyższych harmonicznych prosimy o kontakt telefoniczny w celu
ustalenia możliwości i sposobu działania.
Oprócz klasycznych baterii kondensatorów a filtrami wyższych
harmonicznych, a także absorpcyjnych filtrów pasywnych - dysponujemy
również rozwiązaniami nadążnych kompensatorów tyrystorowych, a także
układami filtrów aktywnych konstruowanych w oparciu o nowe technologie
wykorzystujące tranzystory IGBT wielkiej mocy.
Powrót do góry |
|
