komenzacija reaktivne elektricne energije

Kompenzacija reaktivne električne energije

Iva Ignjatović, dipl.el.inž.

Tomislav Stojanović, dipl.el.inž.

Darko Milenić, dipl.el.inž.

Danko Andrijanić, el.inž.Kragujevac, 3. oktobar 2009.

E-PROJECTING MM,

Preduzeće za projektovanje i inženjering


• Šta je reaktivna energija? Induktivna reaktivna energija je energija koja se koristi

da se stvori električno i magnetno polje u nekim potrošačima.

Ova energija prolazi kroz električnu mrežu, ne vrši rad, ali povećava ukupnu distribuiranu snagu.

Prema tome, u cilju smanjenja distribuirane reaktivne energije koriste se kondenzatori.


• Opšti pojmovi Aktivna snaga

Kod čisto termičkih opterećenja, bez induktivnih i kapacitivnih komponenti, kao na pr. električni grejači, napon U i struja I su u fazi. Snaga je P=U*I


Aktivna i reaktivna snaga

U praksi, čisto termička opterećenja

se retko sreću, tj. prisutna je i induktivna

komponenta, tako da

napon U i struja I nisu u fazi.

Snaga je P=U*I*cosφ

P [W]


Reaktivna snaga Čisto induktivna reaktivna snaga javlja se kod motora i transformatora kada nisu opterećeni ako se zanemare gubici.

Čisto kapacitivna reaktivna snaga javlja se kod kondenzatora ako se zanemare gubici.


Reaktivna snaga Ako je fazna razlika napona i struje 900 u jednoj poluperiodi snaga je pozitivan a u drugoj negativna, pa je ukupna aktivna snaga nula.


Reaktivna snaga i energija

Reaktivna snaga je ona snaga koja teče između generatora i potrošača istom frekvencijom kao i napon u cilju stvaranja elektromagnetnog polja.

Q=U*I*sinφ Q[VAr]

Reaktivna snaga ne vrši koristan rad, pa se zove i jalova snaga i njoj odgovarajuća energija zove se reaktivna energija ili jalova energija.

Prividna snaga Prividna snaga je ona snaga koja je merodavna za proračun

snage mreže. Generatori, transformatori, osigurači, prekidači i presek

provodnika moraju biti proračunati na osnovu prividne snage.

S=U*I S [VA] 22 QPS


Faktor snage (cosφ) Kosinus ugla faznog pomeraja između struje i napona je

parametar za izračunavanje aktivne i reaktivne komponente snage, napona i struje. Njegova vrednost je data na nazivnoj pločici uređaja.

U inženjerskoj praksi za ovaj parametar je usvojen naziv faktor snage.

cosφ=P/S


“Popravak” faktora snage (cosφ)

Kako se dimezionisanje mreže vrši u skladu sa prividnom snagom, cilj je da njena reaktivna komponenta bude što manja.

Ako se instaliraju u paralelu sa potrošačima odgovarajući kondenzatori, reaktivna struja tada cirkuliše između kondenzatora i potrošača.

To znači da taj deo struje ne opterećuje distributivnu mrežu. Ako se postigne faktor snage cosφ =1 iz mreže se povlači samo aktivna komponenta struje.


Prednosti popravka faktora snage (cosφ)

1. Smanjenje računa za utrošenu el.energiju2. Smanjenje gubitaka u kablovima3. Smanjenje pad napona4. Povećanje raspoložive snage na sekundaru transformatora



VRSTE POTROŠAČA FAKTOR SNAGE

Osvetljenje

Inkadescentne sijalice 1.00

Fluorescentne sijalice 0.50-0.60

Živine sijalice 0.50

Natrijumove sijalice 0.50-0.60

Indukcioni motori Neopterećen-puno opterećenje 0.15-0.85

ZavarivanjeElektrootporno zavarivanje 0.60

Elektrolučno zavarivanje 0.50

Električne peći

Indukcione peći 0.60-0.80

Elektrolučne peći 0.70-0.80

Elektrootporne peći 1.00

Tipične vrednosti faktora snage


• Metode kompenzacije Vrste kompenzacija

Sa aspekta izvođenja kompenzacije razlikujemo:

– pojedinačne,– grupne,– centralne i– mešovite.


Pojedinačna kompenzacija

Ova vrsta kompenzacije se primenjuje na motore, transformatore, i uglavnom na potrošače koji su uključeni u dužem vremenskom periodu. Kondenzatori su vezani paralelno sa opterećenjem.



Primena:

• kompenzacija transformatora u praznom hodu

• za pogone u trajnom pogonu

• za pogone sa dugim napojnim kablovima čiji je presek na granici dozvoljenog



Prednosti:

• reaktivna snaga je u potpunosti eliminisana iz internog distributivnog sistema

• najniža cena po kVAr-u, ušteda na sklopnim uređajima za kondenzatore (kontaktorima i osiguračima) i smanjenje struje u fazama omogućava upotrebu provodnika manjeg preseka i prekidača manjih snaga.



Nedostaci:

• sistem za korekciju faktora snage je rasprostranjen po celokupnom postrojenju

• visoka cena instaliranja opreme• instalirana snaga kondenzatora je veća nego kod drugih

vrsta kompenzacije u slučaju da oprema ne radi istovremeno.


Grupna kompenzacija

Ova vrsta kompenzacije se primenjuje u slučajevima kada se grupa induktivnih potrošača napaja preko zajedničkog voda.

Za svaku grupu je predviđen poseban uređaj za kompenzaciju koji je instaliran bez posebnog prekidača, tj. grupa ima zajednički kondenzator.


Grupna kompenzacija

Primena:• za nekoliko induktivnih potrošača koji uvek rade

istovremenoPrednosti:• slično kao kod pojedinačne kompenzacije, i

dosta niža cenaNedostaci:• primenjivo samo za grupe potrošača koji rade

istovremeno


Centralna kompenzacijaOva vrsta kompenzacije

postavlja se na jednom mestu, obično u glavnom razvodnom ormaru.

Sistem u potpunosti pokriva zahtev za reaktivnom energijom.Kondenzatori su podeljeni u nekoliko stepena koji se automatski uključuju i isključuju automatskim regulatorom faktora snage.


Centralna kompenzacija

Primena:• svuda gde korisnikov interni razvod može preneti i

neophodnu reaktivnu energijuPrednosti:• lako praćenje sistema• dobro iskorišćenje kondenzatora• instaliranje opreme prilično jednostavno• manja ukupno instalirana snaga kondenzatora u odnosu

na druge metode kompenzacije


Centralna kompenzacija

Nedostaci:• reaktivna komponenta struje unutar korisnikovog

internog razvoda nije smanjena• dodatni troškovi za automatski upravljački sistem


Mešovita kompenzacijaOva vrsta kompenzacije se primenjuje iz ekonomskih razloga

predstavlja kombinaciju već prethodno opisanih triju metoda.


• Metode proračuna opreme Približna procenaNekada je potrebno brzo i približno odrediti vrednost opreme. Mogu se javiti i slučajevi kada inženjeri izvedu detaljan

proračun ali nisu sigurni u tačnost rezultata ili u nekim slučajevima nastane greška prilikom sagledavanja problema.

Približne vrednosti se onda koriste da potvrde da su izračunati rezultati ispravni.

Približna procena

POTROŠAČ VREDNOST KAPACITIVNOSTI

Motori

sa pojedinačnom kompenzacijom35-40% snage motora

Transformatori

sa pojedinačnom kompenzacijom

2.5% snage transformatora

5.0% za starije transformatore

Metoda centralna kompenzacije

25-33% snage transformatora

ako je ciljani cosφ=0.9

40-50% snage transformatora ako je ciljani cosφ=1


Detaljna procena na osnovu merenja

Merenje struje i faktora snageAmpermetri i cosPHImetri obično instalirani u glavnim razvodnim

ormarima. Aktivna snaga se računa kao:

ako je određen željeni faktor snage vrednost snage kondenzatora se određuje iz sledećeg izraza:

ili f – faktor iz odgovarajuće tablice date u prilogu (tablica faktora f)


Merenje struje i faktora snage

Primer: Izmerene vrednosti Proračun:

struja Is: 248 Aizmereni cosφ 0.86ciljani cos φ 0.92 iz tablice f=0.17

napon 397 V Potrebna snaga kondenzatorske baterije je:


Merenje i snimanje aktivne i reaktivne snage

Mnogo pouzdaniji rezultati se dobijaju merenjem memorijskim instrumentom. Podaci se mogu snimati duži vremenski period i mogu se propratiti i vršne vrednosti. Potrebna snaga kondenzatorskih baterija se izračunava na sledeći način:

QC – potrebna snaga kondenzatora

QL – merena reaktivna snaga

P – merena aktivna snaga

tanφ2 – odgovarajuća vrednost tanφ

za željeni cosφ (dobija se tabele faktora f)


Merenje energijeBrojila aktivne i reaktivne energije se očitavaju na početku i na kraju

osmočasovnog perioda.

RM1 – očitana reaktivna energija na startu

RM2 – očitana reaktivna energija na kraju

AM1 – očitana aktivna energija na startu

AM2 – očitana aktivna energija na kraju

Upotrebom ovako izračunate vrednosti za tanφ i željeni cosφ možemo

dobiti faktor f iz tablice. Parametar k konstanta strujnog transformatora.

Potrebna snaga kondenzatorskih baterija se izračunava na sledeći način:


Merenje energije

Primer:aktivna energija (AM1) .......115.3 kWh

(AM2)........124.6 kWh

reaktivna energija (RM1).......311.2 kVAr

(RM2)........321.2 kVAr

Brojila rade sa strujnim transformatorima 150/5A pa je k=30.

Za ciljani cosφ=0.92 faktor f je 0.65 iz tabele u prilogu.

Tako da je reaktivna snaga kondenzatora:


Prividna snaga potrošača:

Transformator je preopterećen!

Primer:

Sp

kVA cos 1

665

baterija

M

X X

M250kWcos = 0.75

250kWcos = 0.75

630kVA400V 50Hz

Željeni faktor snage cosφ2= 0.92

Potrebna reaktivna snaga :Q = P (tan φ1 - tan φ2) = 230 kvarPrividna snaga :

ZaključakZaključak : :Transformator je podopterećen 87 kVA “rezerve”Račun smanjen!

S kVA 500

0 92543

.


Korekcija faktora snage transformatora

Prilikom instalacije opreme za korekciju faktora snage kod transformatora mora se konsultovati distributor energije. Moderne konstrukcije transformatora zahtevaju malu snagu magnetizacije, pa ako se ne izaberu odgovarajući kondenzatori može doći do prenapona u praznom hodu!


12.5 kVAr

kondenzatorska baterija

Korekcija faktora snage transformatoraPribližne vrednosti snage kondenzatorskih baterija

Nominalna snaga transformatora u kVA

Nominalna snaga kondenzatorskih baterija u kVAr

100-160 2.5

200-250 5

315-400 7.5

500-630 12.5

800 15

1000 20

1250 25

1600 35

2000 40


Korekcija faktora snage motora

Nominalna snaga kondenzatora bi

trebala da bude 90% privine snage

motora u praznom hodu.

Potrebna snaga kondenzatora je:

I0 – struja praznog hoda motora


Korekcija faktora snage motoraPribližne vrednosti za pojedinačnu kompenzaciju motora

Nominalna snaga motora u kW Snaga kondenzatora u kVAr

1 do 1.9 0.5

2 do 2.9 1

3 do 3.9 1.5

4 do 4.9 2

5 do 5.9 2.5

6 do 7.9 3

8 do 10.9 4

11 do 13.9 5

14 do 17.9 6

18 do 21.9 7.5

22 do 29.9 10

30 do 39.9 Približno 40% snage motora

40 i veća Približno 35% snage motora


Problemi usled pojave harmonika

Izobličenja napona usled viših harmonika u električnim mrežama je povećano zadnjih godina zbog naglog razvoja energetske elektronike. Ona su danas i najveći problem u fabrikama i postrojenjima.

Najčeće su izazvana statičkim pretvaračima, kao što su inverteri, soft starteri, ispravljači i UPS sistemi.

Harmonijska izobličenja mogu prouzrokovati pregrejavanje kablova i transformatora, isključivanje zaštitnih prekidača kao i neispravnosti na računarskoj i telekomunikacionoj opremi.

Harmonijska izobličenja se prilikom ugradnje opreme za kompenzaciju reaktivne energije mogu znatno povećati usled neadekvatnog izbora opreme i znatno skratiti vek samoj opremi. Može doći do oštećenja i opreme i potrošača koji su na mreži.



• Oprema za kompenzaciju reaktivne energije

– Kondenzatorske baterije– Kontaktori– Osigurači– Regulatori faktora snage


Kondenzatorske baterije

Kondenzatorske baterije predstavljaju, ustvati, tri kondenzatora međusobno vezana u trougao, spakovana u zajedničko kućište.

Snaga kondenzatorskih baterija se izražava u kVAr, a proizvode se najčešće sledećih snaga:

2.5 kVAr 20 kVAr5.0 kVAr 30 kVAr7.5 kVAr 40 kVar10 kVAr 50 kVAr15 kVAr


Karakteristike kondenzatorskih baterija

Nominalni napon (Un) 230 – 400 – 415 – 440 – 480 – 500 – 690 VTemperaturna klasa -250C / DMin. temp. ambijenta -250CMax.temp. trenutna/prosek 24h/prosek 1god +550C / +450C / +350C Maksimalna naponska preopterećenja ∙ 1.10 Un, u trajanju 8h, svakih 24h

∙ 1.15 Un, u trajanju 30 min, svakih 24h∙ 1.20 Un, u trajanju 5 min∙ 1.30 Un, u trajanju 1 min

Maksimalno strujno preopterećenje 1.5 InMaksimalni strujni pikovi 200 InOtpornici za pražnjenje baterija Spoljašnji, smanjenje napona na 75V za 1 minŽivotni vek > 5 god. (klasa D), > 6 god. (klasa C)Maksimalan broj uključenja/isključenja 5000 godišnje


Kotaktori za uključenje kondenzatorskih baterija

Kontaktori za uključenje kondenzatorskih baterija pored glavnih kontakata imaju i set kontakata koji se uključuju 5-10ms pre glavnih kontakata i preko velikih otpornosti povezuju kondenzator na mrežu. Ovim ranim uključenjem na napon kondenzator se delimično napuni i u trenutku uključenja glavnih kontakata razlika napona na kontaktoru je relativno mala, što rezultira malom prelaznom strujom.


Osigurači Ispred svake kondenzatorske baterije potrebno je montirati osigurače i to NV zbog velike prekidne moći koju poseduju. Osigurače treba birati za 1.6-1.8 In. Nominalna struja kondenzatorskih baterija In se računa iz njene snage Qc

Kako kroz osigurače teku čisto kapacitivne struje, oni se ne smeju koristiti za prekidanje strujnih kola kondenzatorskih baterija zbog pojave električnog luka.


Regulatori reaktivne snage Danas se regulacija rektivne snage postrojenja za kompenzaciju vrši pomoću savremenih mikroprocesorskh regulatora. Oni imaju ugrađenu “tehniku odlučivanja” u vezi sa uključivanjem i isključivanjem kondenzatorskih baterija. Regulator obezbeđuje da se u najkraćem vremenu zadovolje potrebe za reaktivnom energijom uz minimalan broj uključenja/isključenja, i uz ravnomerno korišćenje svih baterija.


Osnovni pojmovi kod regulatora reaktivne snage

Broj stepeni kompenzacije je broj kompenzacionih stepeni na koje je podeljena ukupna snaga postrojenja za kompenzaciju. (Najčešće 6 ili 12)

Poredak snaga kompenzacije je skup od četiri cifre odvojenih dvotačkom, koji definiše odnos snaga svih kompenzacionih stepeni u odnosu na prvi stepen. Najčešće se koriste poredci:

1:1:1:1 - Svi kompenzacioni stepeni su iste snage1:2:2:2 - Svi kompenzacioni stepeni, počev od drugog, dvostruko su veće

snage od prvog 1:2:4:4 - Snaga drugog stepena je dvostruko veća od snage prvog, dok su

snage ostalih stepeni, počev od trećeg, četiri puta veće od snage prvog stepena

Broj koraka regulacije predstavlja ukupan broj regulacionih koraka kojima se postiže regulacija do ukupne reaktivne snage postrojenja.


Setovanje regulatora

Da bi regulator mogao pravilno da reaguje, potrebno je pravilno setovati sledeće parametre:

Prenosni odnos strujnog mernog transformatora, 40 za 200/5Nominalni napon kondenzatorskih baterija, 440 VNominalnu snagu prvog stepena, 10 kVArBroj stepeni, 6 (Šestostepeni reg. i svi se koriste)Poredak snaga kompenzacije, 1:2:2:2Osetljivost x / (zahtevano kVAr/min kVAr)Vreme ponovnog uključenja (istog stepena) 60 sŽeljena vrednost za cosφ 95


Mesto priključenja postrojenja za kompenzaciju i samog strujnog transformatora (CT)

Primer električne šeme postrojenja za kompenzaciju


Primer električnog ormara sa opremom za kompenzaciju


Literatura

• Manual of Power Factor Correction, FRAKO GmbH, Germany

• Teorija i praksa projektovanja električnih instalacija, Miomir Kostić

• Elektroenergetika, Gojko Dotlić,

• www.epcos.com

• www.frako.com

• www.enerlux.com

• www.lovatoelectric.com

• www.e-projekt.co.rs

komenzacija reaktivne elektricne energije

Documents