Kompensacja Mocy i Energii Biernej

Kompensacja mocy biernej może skutecznie zoptymalizować koszty za energię elektryczną. Dobór odpowiednich urządzeń pozwoli zarówno zredukować współczynnik mocy, jak i poprawia trwałość sieci. Takie urządzenia mają za zadanie obniżenie poziomu emisji mocy biernej w sieci elektrycznej. Urządzenia tego typu cechuje łatwość w obsłudze i duża funkcjonalność. Kompensacja energii biernej to sposób na oszczędność energii elektrycznej oraz na zmniejszenie wysokości rachunków za nią.

Co znajdziesz w tym wpisie?

1. Dlaczego kompensacja mocy biernej ma tak duże znaczenie?
2. Dlaczego jakość energii elektrycznej jest ważna?
3. Profesjonalne urządzenia kompensacyjne ANIRO.
4. Profesjonalne rozwiązania problemów z zasilaniem.
4.1. Jakość energii kluczem do sukcesu
4.2. Cele wykonania pomiarów
4.3. Uwaga! Jak rozpoznać problemy spowodowane złą jakością energii elektrycznej?
4.4. Wpływ mocy biernej przesunięcia i odkształceń na prace transformatora
4.5. Wpływ mocy biernej przesunięcia i odkształceń na pracę silnika i generatorów
5. Korzyści wynikające z poprawy jakości energii elektrycznej
6. Akademia Jakości Energii Elektrycznej
7. Filtry Aktywne ADF – teoria

Dlaczego kompensacja mocy biernej ma tak duże znaczenie?

Kompensacja mocy biernej pozwala przede wszystkim ograniczyć koszty związane z poborem energii elektrycznej. Chcąc uniknąć dodatkowych opłat, należy utrzymać współczynnik mocy biernej na poziomie od 0,2 do 0,4 tg φ (zależy od podpisanej oferty z dostawcą energii). Przekroczenie tej wartości wiąże się ze wyższymi opłatami na rachunkach za energię elektryczną. Z uwagi na fakt, że źródeł energii biernej jest wiele – między innymi elementy systemu oświetlenia, urządzenia wentylacyjne czy silniki elektryczne – o przekroczenie wartości 0,4 tg φ bardzo łatwo. I to nie tylko w przypadku największych odbiorców, ale także małych firm czy instytucji publicznych. Aby tego uniknąć, warto zaopatrzyć się w odpowiednie urządzenia, dzięki którym możliwa będzie kompensacja energii biernej. Stanowią one opłacalne rozwiązanie, skutecznie niwelujące straty cieplne oraz wpływające na zwiększenie sprawności linii kablowych czy transformatorów.

Dlaczego jakość energii elektrycznej jest ważna

Profesjonalne urządzenia kompensacyjne ANIRO

Urządzenia do kompensacji mocy biernej dostępne w ANIRO to profesjonalne rozwiązania:
o zróżnicowanych parametrach,
przystosowane do pracy w trudnych warunkach przemysłowych,
odporne na zakłócenia,
posiadające intuicyjne oprogramowanie,
cechujące się łatwym montażem i obsługą, trwałą konstrukcją, niewielkimi gabarytami oraz niezawodnością,
dostępne także na zamówienie.

Oferujemy Aktywne kompensatory mocy biernej SVG firmy Sinexcel. Aktywny kompensator mocy biernej SVG firmy Sinexcel, jest urządzeniem energoelektronicznym, którego zadaniem jest kompensacja mocy biernej indukcyjnej oraz pojemnościowej przy pomocy jednego urządzenia. Szybka odpowiedź, poniżej 10 ms, na dynamiczne zmiany wartości cos (φ) zapewnia bezwzględne utrzymanie zadanego parametru współczynnika mocy, indywidualnie w każdej fazie oraz ograniczenie wskaźnika migotania światła wywołanego dynamicznymi zmianami obciążenia mocą bierną.

Modułowa budowa umożliwia bardzo szybką i wygodną rozbudowę. Sterownik IGBT jest sterowany poprzez panel HMI, na którym można podejrzeć aktualne wartości parametrów elektrycznych strony obciążenia, kompensatora oraz sieci zasilającej. Siedmiu calowy panel HMI umożliwia zapisanie wartości rejestrowanych danych, eksport na zewnętrzny dysk USB oraz generowanie raportów z rejestrowanych parametrów. Kompensator aktywny występuje w opcji z filtracją harmonicznych. Jest to urządzeni typu ASVG, który dzięki rozbudowanej funkcjonalności umożliwia kompensację mocy biernej oraz filtrację harmonicznych.

Rozwój technologii sterowania układami napędowymi, oświetlenia LED, zasilaczy elektronicznych oraz układy UPS, spowodowały zmianę charakteru obciążenia mocą bierną. Na podstawie przeprowadzanych pomiarów dla różnych rodzajów odbiorów, można wysunąć wniosek o zmianie charakteru obciążenia z indukcyjnego na pojemnościowy. Dynamiczne zmiany obciążenia występujące w sieci oraz zmiana charakteru obciążenia, spowodowały rozwój układów kompensacji mocy biernej, w celu zapewnienia dokładnej oraz dwukierunkowej kompensacji bezstopniowej.

Wraz ze rozwojem automatyzacji procesów produkcyjnych, wzrost liczby stosowanych urządzeń energoelektronicznych jest bardzo wysoki. Wcześniej wspomniana zmiana charakteru obciążenia idzie w parze z coraz większym poziomem harmonicznych w napięciu oraz w prądzie. Często spotykane skutki występowania harmonicznych, może sugerować wysoka temperatura transformatora lub częste awarie układów automatyki. Z takimi zjawiskami specjaliści z firmy ANIRO spotykają się na co dzień.

Profesjonalne rozwiązania problemów z zasilaniem

Rozwój urządzeń energoelektronicznych spowodował pogarszanie parametrów jakości energii elektrycznie. Wpływ parametrów na pracę urządzeń można zaobserwować na podstawie podwyższonej temperatury pracy urządzeń elektrycznych, częstszych awarii elementów przesyłu energii oraz układów sterowania. Parametry jakości energii wpływają bezpośrednio również na wysokość opłat za energię elektryczną, w przypadku poboru mocy biernej lub zmniejszenia efektywności oraz czasu pracy urządzeń.

W celu określenia parametrów zasilania, należy wykonywać pomiary jakości energii elektrycznej, zwłaszcza przy doborze takich urządzeń jak kompensacja mocy biernej czy układy filtrów wyższych harmonicznych.

Aby móc kompleksowo rozwiązywać problemy związane ze złymi parametrami zasilania, firma ANIRO wykonuje pomiary jakości energii elektrycznej przenośnymi analizatorami w klasie A zgodnie z IEC 61000-4-3 Ed. 3

Jakość energii kluczem do sukcesu

Bardzo trudno jest zweryfikować jakość energii elektrycznej bez odpowiedniego i eksperckiego pomiaru. Oprócz pomiaru ważne jest, aby z wystarczającą dokładnością określić panujące warunki i zinterpretować uzyskane wyniki. ANIRO zapewnia kompleksową usługę spełniającą wyżej wymienione kryteria. Przedstawimy właściwą analizę i zaproponujemy wdrożenie niezbędnych działań naprawczych.

Cele wykonania pomiarów:
kontrola parametrów jakości energii elektrycznej dostarczanej przez dostawcę,
weryfikacja źródła zakłóceń oraz kierunku ich przepływu,
określenie przyczyn występujących powtarzających się usterek i awarii urządzeń,
właściwy dobór urządzeń do kompensacji mocy biernej oraz filtracji wyższych harmonicznych.

Uwaga! Jak rozpoznać problemy spowodowane złą jakością energii elektrycznej?
często ulegają uszkodzeniu źródła światła,
spotykasz się z częstymi awariami lub niewłaściwą pracą urządzeń elektronicznych /energoelektronicznych,
w rachunkach za energię elektryczną zawarte są opłaty za energię bierną,
występują nieoczekiwane wywołania zabezpieczeń,
nadmierne nagrzewanie lub uszkodzenia przewodów lub urządzeń pracujących w sieci,
występują problemy z układami pomiarowymi lub sterowania,
transformator pracuje generując wysoki poziom hałasu,
zdarzają się uszkodzenia układów baterii kondensatorów (przepalanie kondensatorów, sklejanie styków w stycznikach),
zdarzają się uszkodzenia zasilaczy komputerów, drukarek lub innych biurowych urządzeń.

Wpływ mocy biernej przesunięcia i odkształceń na prace transformatora.
wyższe straty mocy,
przeciążenie punktu neutralnego,
ryzyko wystąpienia rezonansu,
efekt akustyczny (wyższy poziom hałasu podczas pracy transformatora),
przyśpieszenie procesu starzenia izolacji, w efekcie skrócenie czasu pracy transformatora,
wzrost strat mocy w rdzeniu (straty histerezowe – proporcjonalne do częstotliwości oraz straty prądów wirowych – proporcjonalne do kwadratu częstotliwości,
wzrost strat w uzwojeniach, będące następstwem wyższej wartości prądu oraz wyższej rezystancji wywołującej efekt naskórkowości.

Wpływ mocy biernej przesunięcia i odkształceń na pracę silnika i generatorów.
straty w uzwojeniach stojana i wirnika,
podwyższenie temperatury pracy,
przyspieszona degradacja izolacji uzwojeń,
generowanie momentów hamujących poprzez harmoniczne kolejności przeciwnej,
oscylacje mechaniczne,
powstawanie dodatkowych strumieni magnetycznych w silniku, a w efekcie indukowanie się prądów wirowych,
tworzenie momentów harmonicznych powodując pulsację momentu, oscylacje mechaniczne i rezonanse,
wyższe częstotliwości napięcia wpływają na głośność pracy silnika (szum akustyczny silnika).

Korzyści wynikające z poprawy jakości energii elektrycznej poprzez zastosowanie Kompensatorów i Filtrów Aktywnych

oszczędność energii
wyższa produktywność
niezwodna praca instalacji przy obniżonych kosztach utrzymania
dłuższa żywotność urządzeń elektrycznych i procesowych
dodatkowa przepustowość w istniejącej sieci elektrycznej
zgodność z normami i zaleceniami dotyczącymi jakości energii

Akademia Jakości Energii Elektrycznej

Zdobytą wiedzą praktyczną oraz teoretyczną, specjaliści z firmy ANIRO, dzielą się na corocznych Akademiach Jakości Energii Elektrycznej. Podczas dwudniowego szkolenia omawiane są zagadnienia związane z obowiązującymi w Polsce standardami dotyczącymi Jakości Energii Elektrycznej, szeroko omawiana zostaje tematyka związana ze źródłami pogarszających się parametrów zasilania oraz przedstawiane są rozwiązania poprawiające jakość energii w naszych sieciach.

Podczas szkolenia prezentowane są rozwiązania oraz przygotowana jest prezentacja praktyczna z doboru oraz parametryzacji aktywnych kompensatorów oraz aktywnych filtrów wyższych harmonicznych. Szkolenie dedykowane zarówno dla osób technicznych, które wykonują instalacje elektryczne, projektantów, inżynierów utrzymania ruchu, jak osób odpowiedzialnych za inwestycje, ponieważ rozwiązania poprawiające parametry zasilania wpływają na efektywność energetyczną przedsiębiorstwa oraz oszczędności związane z kosztami energii elektrycznej.

Filtry aktywne ADF

Filtry aktywne ADF są zaawansowanymi, sterowanymi komputerowo źródłami prądu umożliwiającymi wytworzenie prądu o dowolnym przebiegu. Głównym zadaniem filtrów jest kompensacja zniekształceń prądu i napięcia w sieci elektrycznej, generowanych przez odbiorniki nieliniowe. Dzięki zastosowaniu filtrów aktywnych ADF można uzyskać dłuższą żywotność urządzeń, zmniejszyć zużycie energii elektrycznej i strat wynikających z jej przesyłu, zwiększyć sprawność maszyn wirujących zasilanych z tej sieci, uzyskać efekt symetryzacji obciążenia, a także bezstopniową kompensację mocy biernej. Na stronie znajdą Państwo teorię działania filtrów aktywnych ADF, terminy planowanych szkoleń oraz formularze umożliwiające zlecenie pomiaru i kontakt.

Filtry aktywne – teoria

W większości problemów technicznych związanych z wytwarzaniem, przesyłem i użytkowaniem energii elektrycznej zakłada się, że mamy do czynienia z liniowymi obwodami elektrycznymi. Wśród odbiorników energii coraz częściej spotkać można odbiorniki dokształcające sinusoidalne przebiegi prądu i napięcia. Są to tak zwane odbiorniki nieliniowe, do których możemy zaliczyć wszystkie odbiorniki, które nie są czysto rezystancyjne. Nieliniowe odbiorniki prowadzą do powstawania harmonicznych prądów i napięcia. Harmoniczne są jednym z najstarszych zaburzeń systemów energoelektronicznych. Problem wyższych harmonicznych ciągle narasta a zagrożenia z tym związane należy traktować poważnie.

Pojęcie harmonicznych wywodzi się z akustyki, gdzie odnoszone są do drgań struny. W przypadku energoelektroniki lub elektrotechniki, harmoniczna jest definiowana jako składowa przebiegu o częstotliwości będącej krotnością składowej podstawowej

Składowa podstawowa 50 Hz oraz piąta i siódma harmoniczna sygnału (250Hz oraz 350 Hz)

Odbiornik nieliniowy generuje odkształcony prąd harmoniczny. Ów prąd powoduje spadek napięcia na transformatorze i indukuje w ten sposób odkształcone napięcie, które zasila wszystkie odbiorniki w układzie. Odbiorniki czysto rezystancyjne będące w obwodzie również będą narażone na prąd harmonicznych, pomimo faktu, że jest to odbiornik czysto liniowy.

Wielkością określającą zniekształcenie napięcia lub prądu przez obecność wyższych harmonicznych jest tzw. współczynnik THD (z angielskiego Total harmonic distortion). Współczynnik THD możemy odnieść do prądu (THDI) jak i napięcia w badanym obwodzie (THDU).:

THD jako iloraz wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej składowej podstawowej odpowiednio napięcia i prądu

Jako górną granice sumowania przyjmuje się przeważnie n = 50 (pięćdziesiąta harmoniczna ). Harmoniczne, ze względu na kierunek wirowania wektorów względem składowej podstawowej dzieli się na:

+ zgodne: 3K+1 – harmoniczne rzędu 1,4,7,10…..
+ przeciwne 3K+2 – harmoniczne rzędu 2,5,8,11…..
+ zerowe 3K+3 – harmoniczne rzędu 3,6,9,12 …. (generowane głównie przez odbiorniki nieliniowe jednofazowe, które sumują się w przewodzie neutralnym).

W rozważanych obwodach mogą się pojawić również ,tzw. interharmoniczne, które nie są całkowitą wielokrotnością składowej podstawowej oraz subharmoniczne, które posiadają składowe o częstotliwości mniejszej od składowej podstawowej.

Powszechnie występującym obciążeniem nieliniowym jest prostownik 6 – pulsowy, typowo spotykany w przekształtnikach napędowych. Prostowniki n pulsowe, generują harmoniczne rzędu k(n+/-1). Dla prostownika 6 – pulsowego będą to 5 ,7,11 i 13 harmoniczna prądu. Dla prostownika 12 -pulsowego będą to harmoniczne rzędu 11,13,23,25. Rozważmy pobór prądu przez przemiennik częstotliwości, który znamionowo pobiera 70,7A z sieci 50Hz:

Idealny sygnał prądowy na wejściu przemiennika

W rzeczywistości przemiennik wyposażony jest w prostownik 6 – pulsowy, który głównie generuje harmoniczne rzędu 5 i 7:

Pobór prądu przez przemiennik z nałożonymi harmonicznymi rzędu 5 i 7

Wynikowo odbiornik widzi sumę tych przebiegów:

Rzeczywisty przebieg prądu (czerwony) na wejściu przemiennika częstotliwości

W ostateczności otrzymujemy zniekształcony przebieg sinusoidalny, którego amplituda może być o kilkadziesiąt procent większa od składowej podstawowej. Składowa podstawowa wynosiła 70,7A. Suma prądów harmonicznych wynosi: 30,8A. Wynikowo przemiennik pobiera prąd o wartości wynoszącej 77, 14A a nie 70, 7A.

Harmoniczne prądu wymuszają na odbiornikach przepływ zwiększonej energii elektrycznej. Prowadzi to do nadmiernego nagrzewania się instalacji. Kable zasilające oraz zabezpieczenia należy przewymiarować, dobierać na znamionowy prąd ciągły z uwzględnieniem harmonicznych prądu.

Poniżej przedstawiono przebieg prądu na wejściu przemiennika jednofazowego:

Przebieg prądu na wejściu przemiennika jednofazowego

Lista typowych odbiorników, które powodują odkształcenie prądu i napięcia:

Sprzęt radiowo-telewizyjny i komputerowy; odbiorniki te wyposażone są w różnej klasy zasilacze z pojemnościowymi filtrami napięcia, w których prądzie znaczący udział maja harmoniczne rzędu 3 i 5
Świetlówki, zwłaszcza coraz powszechniej stosowane świetlówki kompaktowe, wyposażone w układ przemiennika częstotliwości; odbiorniki te pobierają prąd o bardzo szerokim spektrum wyższych harmonicznych.
Różnego rodzaju zasilacze, przede wszystkim zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS)
Bezstopniowe regulatory prędkości obrotowej silników, np. silników elektronarzędzi.
Elektroniczne sterowniki natężenia oświetlenia.
Układy bezprzerwowego zasilania (UPS), przekształtniki, stateczniki.
Urządzenia z rdzeniami magnetycznymi czy na przykład transformatory, silniki.

Destruktywny wpływ odkształconego prądu i napięcia:

Wpływ na silniki i generatory:
Wzrost temperatury ze względu na dodatkowe straty mocy. Jest to stres dla izolacji silników, który skraca ich żywotność.
Powstawanie dodatkowych strumieni magnetycznych w silniku, konsekwencją czego jest indukowanie się dodatkowych prądów (prądy wirowe).
Powstawanie momentów harmonicznych. Wpływa to na pulsację momentu. Prowadzi to do oscylacji mechanicznych, rezonansów.
Harmoniczne wpływają na głośność silnika (im więcej tym większy szum akustyczny silnika).

Wpływ na przekaźniki i styczniki, transformatory, baterie kondensatorów:

Układy te są nie wrażliwe na THD wynoszące do max. 20%. Powyżej tej granicy występują przegrzania elementów, nieprawidłowości w działaniu (załączenia, wyłączenia, duże nagrzewanie, sklejanie).
THD powoduje duże straty mocy. Powoduje to znaczny ubytek mocy transformatora, kable zasilające oraz zabezpieczenia poddawane są dodatkowym wpływom cieplnym, co powoduje konieczność ich przewymiarowania. Filtry ADF powodują wzrost mocy czynnej transformatora sięgający nawet 20%!
Harmoniczne dodatkowo nagrzewają i wpływają destrukcyjnie na baterie kondensatorów (dodatkowa moc wydzielana na nich). Prowadzi to przeważnie do ich uszkodzenia (spalenie, wybuch).

Jakie istnieją sposoby radzenia sobie z wyższymi harmonicznymi prądu?

Najprostszą i najtańszą metodą jest zastosowanie dławika indukcyjnego, który zmienia impedancję sieci w pewnym zakresie. W przypadku układu napędowego przekształtnika, dławik wejściowy lub wbudowany w obwód DC limitują harmoniczne prądu do poziomu około 30-40% w zależności od wielkości obciążenia. Użycie prostownika 12 pulsowego możliwe jest przy podłączeniu układu do dwóch transformatorów (jeden połączony w gwiazdę, drugi w trójkąt). Limitacja harmonicznych do poziomu 12%. Na rynku dostępne są również rozwiązania filtracji pasywnej. Są to typowe filtry LCL, których parametry elektryczne zostały dobrane na odpowiedni punkt pracy napędu (filtracja <8% przy założeniu, że obciążenie jest większe niż 80%). Jest to jednak rozwiązanie niepewne, wprowadzające dodatkowe oscylacje do układu. Filtry LCL z reguły są bardzo duże i drogie. Odchodzi się od tego typu rozwiązań. Najlepszym i najpewniejszym rozwiązaniem jest użycie filtru aktywnego , który potrafi dynamicznie odpowiadać na zapotrzebowanie oraz w szybki sposób kompensuje harmoniczne prądu i napięcia. Oferowane filtry serii ADF dodatkowo mogą kompensować moc bierną (zarówno pojemnościową jak i indukcyjną) , dokonywać symetryzacji obciążenia, a także wyeliminować zjawisko migotania światła.

Porównanie różnych metod kompensacji wyższych harmonicznych

Zastosowanie Filtrów ADF

Filtry cyfrowe ADF ANIRO przeznaczone są dla wszystkich instalacji, obiektów, gdzie występują problemy z jakością energii elektrycznej w ogóle. Gdy mówimy o jakości energii elektrycznej, mamy na myśli takie pojęcia jak:

Aspekty związane z jakością energii elektrycznej

Gdybyśmy żyli W idealnym świecie, większość z nas oczekiwałaby, by nasz sprzęt działał jak w reklamie, sprawnie i bezproblemowo i ładnie przy tym się prezentował. Łatwo sobie również wyobrazić napięcie i prąd – widzimy go jako idealne przebiegi sinusoidalne narysowane na kartce lub na ekranie monitora. Jednakże w rzeczywistości nasze oczekiwania okazują się zwykłą mrzonką a gdybyśmy zajrzeli do naszych gniazdek elektrycznych, okazało by się, że energia elektryczna nie wygląda tak, jak się tego spodziewamy i znacznie odbiega od idealnych przebiegów z ekranu monitora.

Okrutna prawda jest jednak taka, iż energia w dowolnej sieci jest zwykle niedoskonała, wadliwa, obarczona błędami zgodnie z naturalnymi prawami energii elektrycznej, ale również na skutek oddziaływania sprzętu będącego częścią systemu. Efekt? Pogorszenie parametrów pracy urządzeń, usterki, straty energii, dziwne zdarzenia pozornie niepowiązane ze sprzętem … z których wszystkie wymagają przestojów w celu oceny ich stanu i dokonanie ewentualnych napraw.

Większość z Państwa doświadczyła na pewno niespodziewanych, nienaturalnych awarii urządzeń, żarówek. Większość też pewnie doświadczyła abstrakcyjnie wysokich rachunków za energię elektryczną. To tylko niektóre z objawów, które mogą być następstwem słabej jakości zasilania.

Perfekcyjnym rozwiązaniem, które jest w stanie kompleksowo zadbać o jakość energii elektrycznej są filtry aktywne ADF Aniro. Za pomocą jednego tylk urządzenia możliwa jest kompensacja mocy biernej, harmonicznych, eliminacja migotania światła, symetryzacja obciążenia.

Filtr aktywny działa na zasadzie słuchawek aktywnych. Słuchawki posiadają wbudowany mikrofon, który zbiera szum z otoczenia. Następnie słuchawki generują przebieg w przeciw fazie, który po zsumowaniu z sygnałem zmierzonym – wynikowo uzyskujemy ciszę.