Bateria Condensatoare Pentru Compensarea Puterii Reactive

CUPRINS

INTRODUCERE

LISTA NOTAȚIILOR

LISTA FIGURILOR

1. COMPENSAREA PUTERII REACTIVE. CONSIDERAȚII TEORETICE.

1.1 Procedee de compensare

Procedeul practic de compensare în industrie se va hotărî de la caz la caz, ținând seama de situația rețelei de distribuție, de felul și numărul consumatorilor electrici, de puterea motoarelor asincrone etc.

În practică pot fi întâlnite următoarele moduri de compensare:

compensare individuală;

compensare pe grupe;

compensare centralizată;

compensare mixtă.

1.1.1 Compensare individuală

Prin compensare individuală se înțelege conectarea în derivație a unui condensator de mărime adecvată la un consumator inductiv. Prin aceasta se evită toate neajunsurile consumului de putere reactivă, dat fiind faptul că curentul reactiv circulă numai prin circuitul de legătură între consumatorul inductiv și condensator. Toate elementele din sistem – generator, linie, transformator – se descarcă în acest fel de circulația curentului reactiv cerut de consumator.

Prin aceasta este posibil să se utilizeze secțiuni mai mici în linii și să se reducă concomitent mărimea transformatoarelor.

Dat fiind faptul că costul condensatorului raportat la unitatea de putere (kVar) crește cu micșorarea puterii condensatorului, procedeul, devenind neeconomic la o durată mică de funcționare. Literatura de specialitate precizează cazurile când poate fi utilizată compensarea individuală și anume:

aparatele și mașinile electrice se pretează la compensarea individuală dacă durata stării de conectare a condensatoarelor este de minimum 50-70% din timpul total de funcționare al acestora;

puterea necesară a condensatoarelor este de 10-15 kVAr, deci pentru motoare cu puterea nominală de peste 37-45 kW.

Făcând însă o analiză mai atentă a acestui mod de compensare, se ajunge la concluzia să se folosească compensarea individuală în măsură cât mai mare, pentru următoarele motive:

cu toate că procedeul de compensare individuală este cel mai scump dintre toate procedeele de compensare, întrucât necesită cea mai mare putere de compensare, cu ajutorul lui se obțin cele mai mari economii la pierderile de energie precum și o îmbunătățire adecvată a tensiunii;

prin alegerea corectă a puterii de compensare, nu poate avea loc fenomenul de supracompensare, întrucât condensatorul se conectează și se deconectează odată cu mașina de lucru;

nu necesită instalații de reglaj;

Problema regimului de exploatare a motoarelor și deci a compensatoarelor nu trebuie să fie hotărâtoare, deoarece, de exemplu dacă un motor asincron precum și agregatul acționat este în funcțiune numai câteva ore pe zi, nu înseamnă că acest timp ar fi neeconomic pentru condensator când prețul acestuia este neînsemnat față de cel al unității funcționale (motor+agregatul acționat). De fapt, unitatea funcțională este neeconomică și nu condensatorul care își îndeplinește rolul atâta timp cât este cuplat.

1.1.2 Compensarea de grup

Compensarea de grup constă în montarea unei baterii la barele de joasă sau medie tensiune de la care se alimentează un grup mai mare de motoare asincrone. Avantajul acestui mod de compensare constă în faptul că se reduc pierderile de putere și energie electrică activă în instalațiile din amonte și bateriile rămân în funcțiune când iese unul, o parte sau toate motoarele din funcțiune.

La dimensionarea condensatoarelor pentru compensare de grup trebuie să se țină seama de factorul de simultaneitate al consumatorilor, adică de raportul între puterea tuturor consumatorilor în funcțiune și puterea totală instalată a consumatorilor. În acest fel se face economie de putere la bateria de condensatoare printr-o utilizare mai bună a condensatoarelor și o reducere a costurilor de investiții.

În ipoteza că compensarea individuală este realizată consecvent, compensarea pe grup își pierde importanța. Dacă aceasta se realizează în paralel cu compensarea individuală, trebuie asigurată o instalație de reglaj, care având în vedere numărul mare al tablourilor de distribuție devine neeconomică, încărcând costul acestui procedeu de compensare.

1.1.3 Compensarea centralizată

În practică, se preferă de mai multe ori compensarea centralizată, sistem prin care puterea reactivă a mai multor consumatori este compensată printr-o instalație centrală, de condensatoare, conectată la barele colectoare.

În cazul compensării centralizate pe partea de joasă tensiune, linia de transport de înaltă și medie tensiune, transformatoarele și generatoarele sunt descărcate de circulația de curenți reactivi. În această situație nu se mai poate însă realiza reducerea secțiuni conductoarelor pe derivațiile spre motoare.

Compensarea centralizată, executată pe partea de medie tensiune a postului de transformare, prezintă dezavantajul față de cazul anterior că nu se mai descarcă transformatorul din post de circulație de putere reactivă.

Pentru evitarea în compensarea centralizată a unei subcompensări sau supracompesări a puterii reactive, bateria de condensatoare este divizată în trepte de putere, care pot fi conectate sau deconectate în funcție de valoarea puterii reactive absorbite. În acest caz se impune o instalație de reglaj automat a puterii. Numai în unele cazuri, în care variațiile puterii reactive pot fi cunoscute sau prevăzute, se poate utiliza comanda manuală.

1.1.4 Compensarea mixtă

Prin aceasta se înțelege utilizarea tuturor procedeelor arătate pentru compensarea puterii reactive la un consumator industrial mare. Asemenea cazuri se întâlnesc, în general, la consumatorii care se dezvoltă în etape sau atunci când acțiunea de compensare se face ținând seama de specific și de anumite aspecte de investiții.

Procedeul ce se va utiliza pentru compensarea puterii reactive depinde de condițiile specifice fiecărei unități, de nivelul tehnic, de posibilitățile de procurare a instalațiilor tehnice precum și de relațiile furnizor-cumpărător. În toate cazurile însă decizia asupra modului de compensare a puterii reactive se va lua pe baza studierii mai multor variante, cu alegerea variantei optime prin criteriul cheltuielilor minime actualizate [1][3].

1.2 Evidențierea factorului de putere in funcționarea mașinilor electrice

Definitia puterii active:

Puterea instantanee:

(2.1)

Variația in timp a puterii instantanee este reprezentată in figura 2.1.

In sistemul trifazat se definesc vectorii (coloană) a tensiunii și a curentului de fază

(2.2)

Puterea instantanee in regim trifazat este:

(2.3)

Puterea medie (activă) se definește pe o perioadă sau pe mai multe perioade:

în monofazat:

(2.4)

în trifazat:

(2.5)

Valoarea efectivă a tensiunii este:

(2.6)

În sistem monofazat, la puterea activă dată, curentul activ reprezintă curentul a cărei valoare efectivă este minimă la tensiunea u(t) – definiția Fryze

(2.7)

În sistem trifazat, regim periodic curentul activ este:

(2.8)

Unde tensiunea efectivă globală (“collective rms value”)

(2.9)

unde :

Uj – reprezintă valoarea efectivă a tensiunii de fază.

Curentul reactiv este definit de relația

(2.10)

Vectorul de curent al puterii instantanee (“instantaneous power current vector”) este definit pentru sistemele polifazate:

(2.11)

Reprezintă vectorul curenților momentani cu valoarea efectivă minimă, care determină puterea instantanee totală p(t) pentru vectorul tensiunilor instantanee u(t) :

(2.12)

Vectorul de curent fără puterea instantanee (“instantaneous powerless current vector”):

(2.13)

Puterea instantanee totală corespunzătoare acestui curent este zero.

Curentul instantaneu poate fi măsurat. Acesta a avut diverse denumiri; Depenbrock – curent rezidual; Agaki – curent reactiv; Ferrero – curent imaginar; din 1998 curent fără putere instantanee .

Puterea aparentă și reactivă:

Puterea aparentă este o cantitate convențională și reprezintă maximul puterii active la tensiune și curent impuse.

în monofazat: (2.14)

în trifazat: (2.15)

Fig. 2.1 Variația in timp a puterilor

(2.16)

Puterea aparentă și reactivă și deformantă:

conform cu standardul IEEE 100-1977 puterea deformantă este:

(2.17)

Puterea aparentă complexă instantanee:

Dacă tensiunea și curentul instantaneu se exprimă prin intermediul fazorilor

(2.18)

(2.19)

Puterea aparentă complexă instantanee este:

(2.20)

Puterea complexă aparentă S este valoarea medie a puterii aparente complexe instantanee.

(2.21)

În regim trifazat definiind fazorii generalizați ai tensiunii și curentului, puterea complexă aparentă va fi:

(2.22)

Definiții:

Factorul de putere este definit ca raportul dintre puterea activa P și puterea

aparentă S a sistemului.

În regim sinusoidal se poate definii cosinusul unghiului dintre tensiune și curent.

Curentul de linie a mașinilor de curent alternativ, transformatoarelor și altor dispozitive inductive conține două componente: curentul de magnetizare și

curentul ce produce putere.

curentul de magnetizare este un curent ce produce fluxul magnetic în

mașină. Această componentă a curentului creează o putere reactivă Q, ce

este măsurată în kilovolți–amperi reactivi (kVar).

Curentul ce produce puterea este un curent ce interacționează cu fluxul

magnetic pentru a produce cuplul mașinii.

Cuplul mașinii:

(2.23)

Unde:

Kc – este constanta de cuplu

Φ – este fluxul de magnetizare din întrefier

Ip – curentul ce produce cuplul, puterea

Fig. 2.2 Diagrama curenților Fig. 2.3 Diagrama puterilor

Efectele factorului de putere scăzut:

Factorul de putere scăzut cauzează pierderi adimensionale în sistem.

crește curentul la aceeași putere activă

cresc pierderile în conductoarele de legături și dispozitive

determină micșorarea puterii active disponibile la bornele unui

transformator

determină micșorarea puterii active și aparente disponibile la bornele unui generator sincron.

determină creșterea pierderilor pe linia de transport a energiei.

reduce puterea disponibilă în sistem, micșorează stabilitatea sistemului.

Fig. 2.4 Variația puterii active in functie de factorul de putere

Pentru a descuraja utilizarea unui factor de putere scăzut, majoritatea furnizorilor de energie electrică impun anumite forme de penalizare.

Fig. 2.5 Variația puterilor active și aparente in functie de factorul de putere

Îmbunătățirea factorului de putere are urmatoarele avantaje:

un factor de putere mare elimină penalizările.

un factor de putere mare reduce sarcina în transformator și în echipamente

un factor de putere mare scade pierderile în transformatoare, în

cabluri și în alte echipamente

un factor de putere mare ajută la stabilizarea tensiunii din sistem prin

creșterea puterii aparente disponibile

un factor de putere mare reduce sarcina în generatoarele sincrone.

Factorul de putere se îmbunătățește prin injectarea în sistem a unei puteri reactive care se poate obține din condensatoare sau prin folosirea unei mașini sincrone supraexcitate.

Fig. 2.6 Puterea reactivă capacitiva

Puterea reactivă necesară compensării:

Cea mai populară metodă de îmbunătățire a factorului de putere la un sistem de distribuție cu tensiune scăzută este utilizarea condensatoarelor de putere. Mărimea și locația condensatoarelor de corecție trebuie determinată ținând seama de situația rețelei de distribuție, de felul și numărul consumatorilor electrici și de puterea motoarelor asincrone folosite [2][7][23].

QC – puterea reactivă a capacitații

(2.24)

Factorul de corecție depinde numai de valoarea inițială și finală a factorului de putere.

(2.25)

Tabelul 2.1 Valorile coeficientului kc

Compensarea factorului de putere pentru un motor de inducție de 36 kW cu diferite nivele de corecție este prezentata in figura 2.8.

1- Factorul de putere, necorectat

2- Factorul de putere, corectat cu 12-kvar

3 – Factor de putere corectat cu 13,7-kvar

4 – Factor de putere corectat cu 23,7-kvar

Fig. 2.8 Compensarea factorului de putere

Locul de montare a capacității :

Condensatorii, la tensiunea joasă, pentru corectarea factorului de putere trebuie să fie conectați cât mai aproape posibil de sarcină.

Condensatorii conectați la bornele motorului au urmatoarele avantaje:

pierderi reduse

nu necesită aparate de conectare

la decuplare sarcina condensatorului se consumă prin înfășurările motorului

Fig. 2.10 Condensatorii conectați la bornele motorului

Condensatorii nu se conectează niciodată direct la motor în cazurile urmãtoare:

dacă motorul face parte dintr-un sistem de frecvență reglabilă

dacă motorul este pornit și oprit repetat (serviciul S3 – S8 )

dacă se utilizează un motor cu mai multe viteze

dacă se utilizează un motor care funcționează în ambele sensuri

dacã este posibil ca sarcina să devină inerțială.

În toate aceste cazuri tensiunea de autoexcitare sau curenții de tranziție pot produce stricăciuni la condensatori sau motor.

Cu întrerupător separat pentru condensatori

Fig. 2.11 Condensatorii conectați la bornele motorului (cu intrerupator)

Condensatori conectați la magistrala principală de curent pentru un sistem de mai multe motoare

Fig. 2.12 Condensatori conectați la magistrala principală de curent

Condensatori conectați la centrul de distribuție

Acest tip de conectare a condensatorilor este cel mai practic atunci când există o diversitate de sarcini mici ce necesită corectarea factorului de putere.

Condensatorii se conectează la centrul de distribuție sau în apropierea sarcinii cea mai mare.

Fig. 2.13 Condensatori conectați la centrul de distribuție

Exemplu de calcul al costurilor:

În nota de plată se iau în considerare trei lucruri:

1. Costul energiei consumate Cec = 0,05 USD / KWh

2. Costul puterii totale cerute Cpc = 5,50 USD / KW

3. Costurile suplimentare datorate factorului de putere mai mic de 85%

Penalitățiile plătite depind de factorul de putere minim , factorul de putere real , și de puterea totală cerută Ptc.

(2.26)

Fabrica a folosit într-o lună 240.000 KWh x 0,05 = 12.000 USD

Cererea de putere totală a fost de 1700 kW x 5,5 = 9.350 USD

Factor de putere de 70%. 15 x 1700 x 5,5 / 70 = 2.003 USD

Total factura 23.353 USD

Exemplu de calcul al capacitatii :

Pentru exemplul anterior, puterea reactivă necesara este:

Pentru un motor de 30 kW, = 0,9 ; cos= 0,91; i0 = 29%; cos = 0,105

Puterea absorbita:

Capacitatea necesară pentru a mări factorul de putere la 0,95 în sarcina nominală

Se verifica supracompensarea la mersul in gol:

Puterea la mersul in gol

Puterea reactivă la mersul in gol al motorului

Deci condensatorul este bine ales.

Factorul de putere la mers in gol va fi:

1.3 Criterii și calcule tehnico-economice pentru alegerea variantei optime de compensare

Înainte de a se trece la calculul tehnico-economic privind compensarea puterii reactive prin mijloace speciale trebuie examinată aplicarea măsurilor naturale de creștere a factorului de putere.

Soluția optimă de compensare pentru consumatorii importanți trebuie aleasă între mai multe variante, dintre care una este compensarea centralizată și alte variante de compensare descentralizată. Pentru fiecare variantă se studiază compensarea până la diferite nivele ale factorului de putere.

Determinarea soluției și nivelului de compensare optimă se face prin aplicarea metodei cheltuielilor totale actualizate.

Această metodă ține seama de faptul că o aceeași sumă, cheltuită în ani diferiți, nu are aceeași valoare pentru economia națională.

Cheltuielile totale actualizate pentru varianta analizată se determină cu expresia:

Aj = (2.27)

în care:

Aj – sunt cheltuielile totale actualizate pentru varianta j, în lei;

i – anul în care se face o parte din cheltuiala totală;

n – anul final al perioadei de realizare;

a – rata de actualizare, care este de 8% conform PE 011/1975 a M.E.E.;

Iji – investiția făcută în anul i, pentru instalațiile prevăzute a se realiza în varianta j, care se majorează cu investițiile de echivalare a puterii active pierdute, în lei/kW instalat în centrală;

Cji – sunt cheltuielile anuale de exploatare din anul i, pentru varianta j, la care se adaugă cheltuielile de echivalare pentru energia electrică pierdută;

Vji – valoarea reziduală a echipamentului care în urma lucrărilor efectuate urmează să se demonteze în anul i, sau dacă i=n, valoarea încă neamortizată a echipamentului.

1.3.1 Aplicarea metodei cheltuielilor totale actualizate

Calculele tehnico-economice constau în compararea diverselor variante studiate pentru determinarea aceleia care conferă eficiență economică maximă. Pentru determinarea eficienței economice trebuie determinate, pentru fiecare din variantele studiate, atât cheltuielile de investiții cât și cheltuielile anuale pe care le implică.

Investițiile în fiecare an i și pentru fiecare variantă j, trebuie să cuprindă, după caz, atât investițiile pentru rețea, cât și investițiile pentru instalațiile de compensare:

Iji = IRji + ICji (2.28)

în care:

Iji – este investiția totală în anul i, varianta j;

IRji – investiția pentru rețeaua electrică;

ICji – investiția pentru instalația de compensare.

Cheltuielile anuale din fiecare an i și fiecare variantă j trebuie să cuprindă atât cheltuielile pentru rețea și pentru exploatarea instalației de compensare, cât și cheltuielile pentru pierderile de energie activă și reactivă:

Cji = cRIji + cCIcji + γPji + αaEaji + αrErji, (2.29)

în care:

Cji – sunt cheltuielile anuale totale în anul i, pentru varianta j;

cR, cC – cheltuielile anuale relative pentru rețeaua electrică existentă, respectiv pentru instalațiile de compensare de care dispune în anul i, în cadrul fiecărei variante;

γ – prețul puterii active la consumator, în lei/kW;

αa, αr – prețul energiei active, respectiv al energiei reactive, în lei/kWh și lei/kVAr*h;

Eaji, Erji – energia activă, respectiv reactivă, cumpărată de la furnizorul de energie electrică în anul i, pentru fiecare variantă analizată.

Se menționează că puterile Pji includ pentru fiecare variantă atât reducerea pierderilor active datorită compensării cât și pierderile în mijloacele de compensare; de asemenea, energia activă Eaji și energia reactivă Erji suplimentară, pentru fiecare variantă apare numai în varianta fără compensare sau în alte variante, dacă compensarea considerată nu ridică factorul de putere la punctul de vânzare al energiei, cel puțin la valoarea corespunzătoare a factorului de putere neutral (cosφ=0,92).

Valoarea reziduală Vji se referă la instalațiile care, prin introducerea compensării, devin disponibile, putând fi demontate și utilizate în altă parte (cum ar fi de exemplu, unele transformatoare), valorificate prin recondiționare sau prin unitățile de valorificarea deșeurilor.

Sunt însă o parte din rețelele de distribuție și din transformatoarele din stații și posturi, care prin introducerea compensării se descarcă într-o măsură mai mică sau mai mare, fără a deveni total disponibile, iar rezerva de capacitate care a apărut datorită compensării nu poate fi în toate cazurile imediat utilizată.

Numărul acestora este mai mare în cazul compensării individuale și pe grup, și mai mic în cazul compensării centralizate. În aceste cazuri este necesar, pentru o tratare completă și echitabilă a fiecărei variante să se considere în calculele economice prin anumite valori (procente din costurile instalațiilor descărcate) descărcarea parțială a unor instalații, care pot fi folosite în cazul creșterii consumului, fără să se mai facă investiții suplimentare.

Utilizând metoda cheltuielilor de calcul actualizate se poate stabili, prin compararea variantelor de compensare examinate, eșalonate pe un număr n de ani, care este cea mai indicată să fie realizată din punct de vedere tehnico-economic.

Aplicabilitatea acestei metode privește în primul rând întreprinderile pentru care acțiunea de compensare a puterii reactive necesită o perioadă de mai mulți ani.

În cazul întreprinderilor mai mici, având fie numai rețea de distribuție de joasă tensiune sau joasă și medie tensiune, problema îmbunătățiri factorului de putere se poate rezolva mai simplu și într-o perioadă de timp mai scurtă, în general, într-un an.

În aceste situații, se poate simplifica și metoda de calcul, utilizând pentru compararea diferitelor variante indicatorul cheltuieli anuale de calcul, exprimat pentru varianta j prin relația:

Zcj = C + pI (2.30)

în care:

Zcj – sunt cheltuielile de calcul în varianta j;

C – cheltuielile anuale cuprinzând amortizări, pierderi de putere și energie;

I – investițiile totale pentru instalația de compensare și alte lucrări auxiliare;

p – coeficientul de eficiență economică, ținând seama de termenul normat de recuperare considerat 10 ani (p = 1/10).

Cheltuielile de calcul se stabilesc pentru fiecare variantă de compensare, adoptându-se varianta cu cele mai mici cheltuieli de calcul[6][9].

1.4 Alegerea variantei optime de compensare

Pentru alegerea variantei optime de compensare, pentru fiecare variantă examinată se calculează unul din indicatorii:

costul de revenire al energiei electrice reactive produsă prin compensare,

timpul de recuperare a investițiilor făcute.

Costul de revenire cQ al energiei reactive pe kVAr*h produsă prin compensare trebuie să fie mai mic decât costul specific al aceleiași energii plătit întreprinderii furnizoare dacă nu se face compensarea.

Cheltuielile anuale care intră în componența costului de revenire se compun din:

cheltuieli anuale Cr aferente instalației de compensare, calculate ca o cotă procentuală cc din valoarea de investiții Ic a instalației respective:

CI = cc (2.31)

cheltuieli anuale aferente pierderilor de putere CΔPc și de energie CΔEc în instalațiile de compensare, calculate în funcție de pierderile specifice pc și de durata de utilizare Tc a instalației de compensare. (pentru condensatoare derivație pc=1-5kW/MVAr, în funcție de tipul de condensator):

CΔPc = γ * pc * Qc, CΔEc = α * pc * Qc * Tc, (2.32)

în care:

γ – este prețul specific pentru putere, conform tarifului, în lei/kW;

α – prețul specific pentru energia activă, în lei/kW;

Qc – puterea la vârf a instalației de compensare, în MVAr.

În cazul compensărilor realizate cu mai multe baterii comutabile, a bateriilor de condensatoare fracționate sau când bateriile sunt instalate în mai multe puncte în rețea, cheltuielile anuale corespunzătoare pierderilor de energie în condensatoare, se calculează cu expresia:

CΔEc = α * pc (2.33)

în care:

Qci – este puterea unei trepte de baterie i;

Tci – durata de utilizare a treptei i.

Reducerea cheltuielilor de exploatare pentru rețea, corespunzător reducerii investițiilor actualizate prin amânări de lucrări de rețea datorită compensării (), dacă este cazul.

Suma acestor cheltuieli anuale se raportează la energia anuală produsă de bateriile de condensatoare . Dintre mai multe variante posibile se va alege varianta pentru care indicatorul cQ este minim.

Pentru fiecare variantă de compensare costul de revenire cQ se determină cu relația:

cQ = (2.34)

În cazul când cQ este mai redus decât prețul plătit furnizorului pentru energia reactivă, compensarea la nivelul examinat, respectiv cel neutral, este oportună; în caz contrar este indicat să se revadă puterea corespunzătoare a bateriei până la respectarea condiției menționate.

În ceea ce privește numărul de ani de recuperare a investițiilor făcute, acesta se determină prin raportarea investițiilor la economiile anuale realizate prin compensare:

n = (2.35)

în care:

Itotal – sunt investițiile totale;

β – costul specific al instalării unui kW în centrala de echivalare pentru acoperirea pierderilor;

γ – cota de amortizare pentru centralele electrice;

ΔP = ΔPmax nec – ΔPmax c + ΔPc – economia de pierdere de putere, respectiv diferența dintre pierderile de putere maximă fără compensare și cele cu compensare, adăugând pierderile de putere activă în bateriile de condensatoare;

ΔEa = ΔEa nec – ΔEa c + ΔEc – economia de pierderi de energie, reprezentând diferența dintre pierderile de energie fără compensare și cele cu compensare, plus pierderile de energie în bateriile de condensatoare.

În cazul în care se respectă relația de mai sus, adică amortizarea investițiilor pentru realizarea instalațiilor de compensare până la factorul de putere neutral se face în maximum 5 ani, este avantajos să se adopte soluția respectivă. Dacă termenul de amortizare depășește 5 ani, ceea ce rezultă în cazul când economiile de pierderi de putere și energie sunt mici, este indicat să se reducă puterea bateriilor în condensatoare, adică factorul de putere să nu fie ridicat până la valoarea neutrală. Reducerea puterii bateriilor se face până la valoarea pentru care amortizarea investițiilor se face în mai puțin de 5 ani [11].

2. COMPENSAREA PUTERII REACTIVE ÎN CONDIȚIILE EXISTENȚEI CONSUMATORILOR DEFORMANȚI

Problema puterii reactive a apărut odată cu sistemele electroenergetice de curent alternativ și continuă să existe datorită menținerii specificului acestei puteri, sub aspectul consumului și al producerii. Reducerea încărcării cu putere reactivă a tuturor instalațiilor între consumatorii larg răspândiți și sursele concentrate ale sistemelor energetice în avantajul puteri active, a pus problema compensării pe scară largă a puterii reactive cât mai aproape de receptori. Soluția general folosită constând din baterii cu condensatoare, necesită însă o reexaminare de principiu, în etapa actuală de apariție și intensificare a noilor receptori care, din cauza caracteristicilor electrice neliniare, produc fenomenul de deformare a curbelor de curenți și de tensiune. Una din consecințele existenței și intensificării fenomenului deformant, o constituie vulnerabilitatea, până la deteriorare, a bateriilor cu condensatoare în funcțiune. În acest capitol se examinează sub aspect teoretic și tehnic, problema compensării puterii reactive care este încă necesară, ținând seama de existența și comportarea bateriilor cu condensatoare.

2.1 Aspecte generale în compensarea puterii reactive

Etapa actuală de desfășurare și dezvoltare a tuturor activităților economice și sociale, atât în țara noastră cât și pe plan internațional, precum și largul orizont al perspectivei apropiate, se caracterizează printr-o modernizare intensă. Factorul specific îl constituie schimbarea practic totală, în toate domeniile de activitate, fără excepție, inclusiv în gospodăriile casnice a structurii receptorilor de energie electrică.

Marea majoritate a acestor receptori, deja în funcțiune, dar mai ales și în perspectivă, formată din aparate, circuite și instalații electrocasnice, respectiv, tot ce produce electronica sub forme din ce în ce mai performante și mai sofisticate, se poate afirma că, au invadat sistemul electroenergetic și în țara noastră.

Datorită faptului că acești receptori au caracteristici electrice neliniare, prezența lor în instalațiile sistemului energetic, în care generatoarele electrice din centrale produc tensiuni electrice alternative, care au forma curbei practic sinusoidală, la aplicarea acesteia la bornele fiecărui receptor sau grupe de receptori neliniari, aceștia deformează curbele de curent. Gradul de deformare al curbelor de curent și respectiv de abatere de la forma ideală sinusoidală, depinde numai de caracteristicile fiecărui receptor, nu și de alte mărimi electroenergetice, cum ar fi, de exemplu, puterea de scurtcircuit din nodul în care sunt racordați.

Curbele de curent deformate conțin pe lângă curbele fundamentale sinusoidale cu frecvența de 50 Hz și curbe de curent cu frecvențe reprezentând multipli ai frecvenței curbei fundamentale, denumite armonici și valori între multiplii frecvenței fundamentale, denumite interarmonici. Mai pot apare și subarmonici, respectiv, cu frecvențe mai mici decât cea a curbei fundamentale. Deci curbele reale ale curenților deformați, conțin, așa cum rezultă și din analizele armonice, care se efectuează folosind o gamă largă de aparate de măsurare realizate în acest scop, un spectru foarte larg și complex de curbe sinusoidale reprezentând armonicele, interarmonicele și subarmonicele, având frecvențe până la rangul (ordinul) 50, respectiv 2500 Hz.

Toți acești curenți sunt injectați în nodurile rețelei electroenergetice de către receptorii respectivi și circulă prin instalați (linii, transformatoare etc.) producând multe fenomene cu consecințe defavorabile. Una din consecințele directe care apare, este constituită de căderile de tensiune, datorate curenților menționați și impedanțelor cu frecvențe corespunzătoare fiecărui curent armonică, interarmonică sau subarmonică.

Se menționează că deoarece ponderea cea mai mare o au armonicele de curent, care au frecvențe, multipli ai frecvenței fundamentale, pentru examinarea generală a fenomenului deformant se rețin numai curenții respectivi. Acești curenți reprezentând armonicele: 2,3,4,5 etc. sunt și cei afișați de aparatele de măsurare și care circulă prin instalații, produc căderi de tensiune care au aceleași frecvențe cu ale curenților și impedanțelor rețelelor care le generează și reprezintă armonicele de tensiune care contribuie la deformarea curbelor de tensiune din noduri. Aceste căderi de tensiune se aplică în nodurile rețelelor electrice simultan cu tensiunea fundamentală tuturor receptorilor conectați la barele respective.

O comportare deosebită la aplicarea acestor tensiuni armonice o au bateriile cu condensatoare, montate pentru compensarea puterii reactive. În această situație, care a apărut și la noi se va intensifica foarte mult, utilizarea bateriilor cu condensatoare în soluția de montare actuală, devin vulnerabile și este necesar să se reexamineze problema pentru a rezolva, atât compensarea puterii reactive, precum și atenuarea regimului deformant, în scopul limitării la minimum, dacă nu chiar la eliminarea multiplelor consecințe negative, care afectează o mare parte din instalațiile electroenergetice [8][12].

2.2 Aspecte teoretice și tehnice privind funcționarea bateriilor cu condensatoare

2.2.1 Regimul sinusoidal

Folosirea bateriilor cu condensatoare constituie de mai multe decenii, soluția optimă din punct de vedere tehnico economic, pentru compensarea puterii reactive, respectiv a îmbunătățirii factorului de putere, în rețelele electrice și în general în instalațiile electrice din întreprinderile industriale. Prin utilizarea automatizărilor, în ultimii ani se realizează cu ajutorul treptelor finale de reglaj ale bateriei, monitorizarea factorului de putere foarte aproape de valoarea neutrală, prin afișarea valorilor realizate.

În regim sinusoidal, adică prin aplicarea la bornele bateriei a unor curbe de tensiune foarte apropiate de sinusoidă cu frecvența de 50 Hz, bateriile cu condensatoare, reprezentând receptori capacitivi, produc, în urma calculelor de dimensionare, puteri reactive pentru compensare, pe care le injectează la barele la care sunt conectate. Prin aportul lor reduc în mod corespunzător aportul din sistemul energetic a puterii reactive, micșorând componenta reactivă a curentului preluat din sistem de la valoarea corespunzătoare factorului de putere natural până la cel neutral, de obicei (0,95 – 0,96). Ilustrarea celor prezentate se face în figurile 3.1 și 3.2 și prin expresiile pentru calculul valorilor factorului de putere, în regim sinusoidal:

fără compensare (fig. 3.1 și fig. 3.3)

(3.1)

Valoarea factorului de putere fără compensare, cea naturală, este aceeași și pe plecarea spre consumatori și pe linia de alimentare din rețeaua de distribuție (scλ=λ)

cu compensare (fig. 3.2 și fig. 3.4)

(3.2)

și

(3.3)

Fig. 3.1 Circuit fara compensare Fig. 3.2 Circuit cu compensare

(centralizata)

Fig. 3.3 Diagrama fazoriala a Fig. 3.4 Diagrama fazoriala a circuitului

circuitului fara compensare cu compensare (centralizata)

Cu compensarea după schema din fig. 3.2 (centralizată), valoarea factorului de putere pentru linia de alimentare din rețeaua de distribuție este mai mare, deoarece apare influența aportului bateriei QB.

Acest aport reduce puterea reactivă pe care o furnizează sistemul în situația fără compensare (fig. 3.1) la valoarea (fig. 3.2), cu compensare, corespunzător cu puterea produsă de bateria cu condensatoare B.

Diagramele fazoriale din figurile 3.3 și 3.4 ilustrează, cu ajutorul fazorilor componentelor reactive ale curenților, cele două situații, fără/cu compensare. Din această prezentare rezultă că în regim sinusoidal, când la barele de alimentare se aplică numai curba de tensiune fundamentală cu frecvența de 50 Hz, implicit și bateriei cu condensatoare care ne interesează, aceasta produce puterea reactivă QB numai pentru frecvența fundamentală.

2.2.2 Regimul nesinusoidal (deformant)

Situația respectivă implică apariția în toate instalațiile electrice, pe lângă componenta fundamentală reactivă (50 Hz) și un spectru de curenți armonici cu frecvențe diferite (ν), multiplu de 50 Hz produși de consumatorii deformanți, se examinează separat cele două cazuri, respectiv, fără baterie cu condensatoare și cu baterie cu condensatoare.

Situația fără baterie cu condensatoare

Pentru examinarea primului caz, se consideră schema electrică de principiu a unui nod A (fig. 3.5) la care sunt racordate 3 linii electrice, respectiv: (a) de alimentare a nodului A din sistem; (b) de racordare și alimentare a consumatorilor deformanți și (c) de racordare și alimentare a consumatorilor nedeformanți din aceeași zonă de consum. Se au în vedere, în primul rând curenții fundamentali , cu frecvența de 50 Hz, din cele 3 linii și anume: care vine din sistem pentru alimentarea tuturor consumatorilor din nodul A, deformanți și nedeformanți; care circulă prin linia (b), pentru alimentarea consumatorilor nedeformanți; I1c care circulă prin linia (c) spre consumatorii nedeformanți, alimentați de la aceleași bare A. În același timp consumatorii deformanți produc și injectează prin linia (b) în nodul A un spectru de curenți armonici format din curenți armonici, după expresia:

(3.4)

Fig. 3.5 Situatia fara compensare Fig. 3.6 Schema echivalenta

Un prim indicator al regimului deformant îl constituie reziduul deformant, având expresiile:

(3.5)

O altă mărime importantă o reprezintă valoarea efectivă a curentului deformat rezultant, care se determină cu relația:

(3.6)

Un indicator important, afișat de aparatele de măsură este factorul de distorsiune, care, în cazul curentului se determină cu expresia:

(3.7)

Pentru a clarifica situația de la nodul A (fig. 3.5), se observă întâi circulația componentei fundamentale ce vine din sistem și intrând în nodul A se repartizează spre cele două categorii de consumatori, , spre consumatorii deformanți prin linia (b) și spre consumatorii nedeformanți, prin linia (c), corespunzător puterilor active (Pa și Pc) și celor reactive (Qa și Qc) necompensate, necesare ambelor categorii de consumatori.

Simultan cu acești curenți fundamentali având (frecvența de 50 Hz), circulă prin aceleași linii și curenții armonici, produși de consumatorii deformanți și injectați în nodul A prin linia (a).

În nodul A aceștia se ramifică, o parte spre consumatorii locali nedeformanți și cealaltă parte circulă spre sistemul energetic prin linia (a) având sensul invers față de componenta fundamentală, . Repartizarea pe fiecare din cele 2 linii se face corespunzător impedanțelor armonice pentru fiecare frecvență, atât pentru consumatorii nedeformanți locali , cât și pentru sistemul energetic din figura 3.6, în care se reprezintă schema echivalentă pentru nodul A. Se poate stabili, pentru fiecare armonică componenta care circulă spre sistem, folosind relația:

(3.8)

Deoarece componentele curenților armonici care circulă spre sistem reprezintă peste 90 % din valorile produse de consumatorii deformanți.

Situația cu baterie cu condensatoare

Schema electrică de principiu cu baterii cu condensatoare, folosită pentru compensarea puterii reactive, frecvent întâlnită în întreprinderi este reprezentată în figura 3.7. Pentru ușurarea înțelegerii fenomenului, nu se mai consideră consumatorii nedeformanți care, dacă există, preiau o cotă foarte redusă, numai 2 % – 4 % din curenții armonici produși și injectați de consumatorii deformanți, iar influența neglijării care este ușor defavorabilă, este admisibilă.

Apariția bateriei cu condensatoare în schemă (fig. 3.7) complică în mare măsură fenomenul, devenind ea însăși vulnerabilă. În primul rând, analizând situația numai pentru componenta reactivă a curentului care intră în nodul A din sistem prin linia (a), aceasta, însumată cu componenta reactivă debitată de bateria cu condensatoare pentru compensarea puterii reactive solicitată de consumatorii deformanți, circulă prin linia (b) spre acești consumatori, respectiv:

(3.9)

Peste această situație simplă, corespunzătoare curenților având frecventa

f = 50 Hz, se suprapun armonicele de curent produși și injectați în nodul A prin linia (b). Aceștia se ramifică astfel: o componentă spre sistem prin linia (a) și alta spre bateria cu condensatoare.

Pentru a examina această distribuție și îndeosebi comportarea bateriei, s-a realizat în figura 3.8 schema echivalentă corespunzătoare schemei electrice de principiu din fig. 3.7. În figura 3.8 sunt prezentate reactanțele echivalente pentru sistemul energetic, corespunzătoare diferitelor ranguri de armonici, respectiv: și pentru baterii cu condensatoare:

(3.10)

Fig. 3.7 Situatia cu compensare Fig. 3.8 Schema echivalenta

Expresia de calcul a armonicelor de curent prin bateria cu condensatoare este; pentru o armonică oarecare de rang ν, următoarea:

(3.11)

de unde:

(3.12)

sau dacă se ține seama că:

expresia (3.12) devine:

(3.13)

Armonica de curent corespunzătoare situației de rezonanță teoretic este infinit, aceasta conducând la deteriorarea, uneori chiar prin explozie a bateriei. În realitate valoarea nu este infinită dar rămâne periculos de mare, datorită pe de o parte rezistenței electrice a instalației pentru frecvența de rezonanță care nu este considerată în expresia (3.12) și pe de altă parte, rangul armonicei de rezonanță este de cele mai multe ori între două ranguri (de exemplu: 6,4 între 5 și 7). De asemenea curenții armonici din rangurile apropiate mai mari sau mai mici decât pot fi suficient de mari pentru a periclita bateria. Pentru a determina valorile și sensurile de circulație prin baterie a armonicelor de curent care corespund unor ranguri diferite de νrez respectiv 21ν<ν<νrez se înlesnește în expresia (3.12) mărimea, cu νrez<ν1 și νrez > ν2.

Din examinarea corespunzătoare rezultă că în cazul când νrez <ν1 sensul valorii expresiei (3.12) este negativ, iar în cazul νrez > ν2 semnul este pozitiv. Adică armonicele de curent având rangurile circula prin baterie spre bare, bateria generând astfel de armonici și prin armonicele de curent având rangurile νrez<ν1, νrez>ν2 au semnul “+” adică sunt absorbite de baterie, prin aceasta bateria contribuind la reducerea fenomenului deformant din nodul A. Pentru a ilustra aceste două posibilități, în figura 3.7, săgeata reprezentând armonicele de curent care circulă prin baterie, are prevăzute două sensuri. Se menționează însă faptul că, independent de valorile și sensurile lor prin baterie, toate armonicele de curent contribuie la creșterea valorii efective a curentului deformant rezultant (total) care parcurge bateria cu condensatoare și care se determină cu expresia:

(3.14)

O altă mărime caracteristică și pentru curentul deformat prin baterie este reziduul deformant care se determină cu expresia:

(3.15)

În indicatorul principal care definește intensitatea regimului deformant în circuitul baterie este factorul de distorsiune al curentului:

(3.16)

Din analiza făcută pentru stabilirea comportării bateriilor cu condensatoare instalate pentru compensarea puterii reactive la consumatori, rezultă că acestea, în noile condiții apărute în rețelele electrice, datorită fenomenului deformant, care se va intensifica și în sistemul nostru electroenergetic, nu mai prezintă siguranță în funcționare, datorită vulnerabilității lor și care în plus, datorită specificului lor capacitiv, contribuie la amplificarea regimului deformant. Situația complexă care a apărut în instalațiile consumatorilor industriali și se va intensifica, necesită noi măsuri corelate, atât pentru compensarea puterii reactive, cât și pentru atenuarea regimului deformant [7][10][21].

2.3 Posibilități de realizare a compensării puterii reactive corelat cu atenuarea regimului deformant

Deoarece cele două probleme menționate, care coexistă atât în etapa actuală cât și în perspectivă, influențează și sunt influențate negativ de bateriile cu condensatoare, folosite până în prezent și în instalațiile noastre electrice de consum, exclusiv pentru compensare, sunt nerezolvate fiind surse de deranjamente importante, este necesar ca într-un timp cât mai scurt să se treacă la rezolvarea lor. Pentru aceasta va trebui ca și în instalațiile noastre electroenergetice să se aplice măsura de folosire a filtrelor care, așa cum se va demonstra în continuare, pot rezolva simultan atât problema compensării puterii reactive cât și anularea sau reducerea la valori admisibile a fenomenului deformant. Dintre cele două tipuri de filtre respectiv, active și pasive, acestea din urmă pot corespunde, fiind și sub aspect economic, mult mai avantajos. Important este faptul că filtrele pasive în schema lor cea mai simplă, sunt realizate în principiu dintr-o bobină în serie cu o baterie cu condensatoare (fig. 9) și că în acest scop pot fi adaptate și bateriile cu condensatoare existente, care au fost montate anterior pentru compensarea puterii reactive, în nodurile respective.

2.3.1 Stabilirea caracteristicilor principale ale filtrului pasiv si funcționarea acestuia

Dintre cele două elemente componente se poate începe cu bateria cu condesatoare, care se dimensionează pentru compensarea puterii reactive pentru frecvența fundamentală, de 50 Hz, cu expresia:

(3.17)

unde:

Pmed – este puterea activă medie anuală a consumatorului;

tgϕnec – tangenta unghiului dintre fazorii tensiune și curent, corespunzător factorului de putere natural, necompensat;

tgϕcomp – tangenta unghiului dintre fazorii tensiune și curent, corespunzător factorului de putere neutral, impus de furnizorul de energie electrică.

Deoarece bateria în schema filtrului este în serie cu bobina, la această valoare se adaugă pierderile de putere reactivă datorită bobinei, pentru a nu reduce gradul de compensare și care este în general, de 4% – 5%. Aceasta se verifică însă și se corectează, după stabilirea parametrilor bobinei. De asemenea tensiunea nominală a bateriei va trebui să fie mai mare cu circa 10 % decât cea a barelor din nodul A (fig. 3.9), deoarece între baterie și bare există bobina, datorită căreia apare o cădere suplimentară de tensiune BQ .

Fig. 3.9 Filtru pasiv

După stabilirea puterii bateriei, se poate calcula capacitatea acesteia folosind relația:

(3.18)

In continuare se poate trece la determinarea reactanței bobinei filtrului, pentru care este necesar să se aleagă o armonică de rezonanță și apoi se utilizează relația:

(3.19)

unde este reactanța bobinei, care reprezintă necunoscuta în relația (3.19), cu care se poate calcula inductanța bobinei. Pentru alegerea rangului armonicei de rezonanță este necesar să se examineze câteva elemente teoretice și tehnice, privind comportarea filtrului, în ansamblu, în vederea atenuării și a regimului deformant, după ce prin calcularea puterii bateriei, s-a asigurat compensarea puterii reactive. Astfel, se menționează că așa cum rezultă din relația (3.19), reactanța rezultantă a circuitului filtrului corespunzătoare frecvenței rangului de rezonanță este zero. Deci, acesta realizează la barele nodului A condițiile unui scurtcircuit trifazat pentru frecvența respectivă și astfel, prin filtru va circula spre pământ în întregime armonica de curent cu frecvența corespunzătoare, atât cea produsă de consumatorii deformanți din nodul A, precum și din alte noduri exterioare, dacă nu sunt reținute de filtre pentru aceeași frecvență. Deci poate apare și un aport din exterior, care va trebui considerat.

Problema următoare constă în determinarea comportării filtrului pentru armonicile de curent, care sunt în spectrul total de armonici și au frecvențe mai mari sau mai mici decât νrez adică pentru:

(3.20)

Făcând această analiză pentru relația (3.19) se constată că în cazul armonicilor cu rang termenul capacitiv din expresie este preponderent și deci filtrul produce armonici de curent cu frecvențele respective, contribuind la amplificarea regimului deformant. În această categorie intră pentru orice filtru și fundamentala (50 Hz) și deci orice filtru asigură compensarea puteri reactive așa cum s-a menționat anterior.

În cazul armonicelor de curent care au frecvențe mai mari decât cea de rezonanță adică, termenul inductiv din relația (3.19) este preponderent și deci filtrul se comportă ca o bobină, absorbind parțial aceste armonici, contribuind astfel la atenuarea suplimentară a regimului deformant.

Principala concluzie și de importanță deosebită, care rezultă din această succintă analiză pentru stabilirea corectă a parametrilor electrici ai oricărui filtru pasiv, constă în alegerea rangului de rezonanță al acestuia. Acesta trebuie să fie cel care corespunde rangului imediat următor după fundamentală, existent în spectrul real al armonicelor de curent produse de receptorii deformanți. Din măsurătorile făcute deja la unii consumatori s-a constatat că acestea sunt armonicele 3 și 5 și deci se poate stabili armonica de rezonanță 3. În acest caz filtrul rezonant pe armonica 3 care deci absoarbe în întregime armonica 3, absoarbe parțial toate armonicele cu rangurile 5 și mai mari, atenuând regimul deformant. Acest filtru va produce energie reactivă numai pe fundamentală (50 Hz), pentru compensare. Dacă s-ar alege rangul de rezonanță 5 filtrul, în afară de fundamentală ar produce și armonica de rangul 3, amplificând regimul deformant, ceea ce este periculos.

În continuare trebuie să se examineze problema atenuării de către filtrul considerat, a regimului deformant până la nivelul admis de reglementări, respectiv de realizare a factorului de distorsiune de curent în nodul de alimentare din sistemul electroenergetic de maximum 12% și a celui de tensiune, la 0,4 kV de maximum 5%. Această situație se poate examina pentru întreprinderile care încă nu sunt realizate, prin calculul estimativ, în etapa de proiectare a factorului de distorsiune, folosind date informative din măsurători făcute la alți consumatori existenți. Este mai indicat însă, ca pentru stabilirea corectă și definitivă a parametrilor filtrelor pentru noile întreprinderi, să se aștepte intrarea în funcțiune a consumatorilor și ulterior să se facă măsurători, atât pentru factorul de putere cât și pentru regimul deformant. În astfel de măsurări, mai poate apare o situație deosebită care trebuie rezolvată, și care justifică, în plus, o amânare minimă a realizării filtrului.

Această situație poate pune în evidență faptul că în spectrul de armonici, pe lângă armonica 3, este mare și armonica 5 și în consecință un singur filtru rezonant numai pe armonica 3, s-ar putea să nu fie suficient și să nu reducă factorul de distorsiune de curent sub 12 %. În acest caz pentru a elimina din spectrul de armonici nu numai armonica 3 ci și armonica 5, este oportun să se realizeze așa cum se indică în fig. 3.10, două filtre, unul rezonant pe armonica 3 și unul pe armonica 5 care împreună pot rezolva problema.

Fig. 3.10 Filtru rezonant pe armonicele 3 si 5

Pentru a evita complicațiile de conectare și de deconectare în perioada de funcționare și de a nu afecta nici compensarea puterii reactive, pentru realizarea celor două filtre bateria cu condensatoare, inițial unică, se împarte în două jumătăți, una pentru filtrul (f3) și alta pentru filtrul (f5), (fig. 3.10), și racordarea la bare să se facă printr-un singur aparat de comutație.

Folosind această metodologie susținută de argumentele teoretice și tehnice prezentate, se pot stabili principalii parametri electrici ai unui filtru pasiv de tip serie, care poate asigura rezolvarea simultană și pentru o perioadă lungă a celor două probleme, respectiv, a compensării puterii reactive și a atenuării regimului deformant, la consumatorii industriali[4][5][25].

3. PROIECTAREA INSTALAȚIILOR PENTRU ÎMBUNĂTĂȚIREA FACTORULUI DE PUTERE CU BATERII DE CONDENSATOARE

Transformatoarele, motoarele si mulți alți consumatori electrici preiau de la rețeaua de alimentare, pe lângă puterea utilă, activă, si putere reactivă.

Aceasta putere reactivă suprasolicită nu numai rețeaua de alimentare, ci si generatoarele, cablurile, transformatoarele si stațiile de distribuție, si produc prin aceasta cheltuieli suplimentare.

Prin utilizarea instalațiilor de reglare cu condensatori (Fig. 4.1) poate fi totuși transmisă o putere activă sensibil mai mare. Echipamentele de transmisie pot fi astfel degrevate de puterea reactivă, se reduc costurile cu consumul de energie si nu mai sunt necesare măsuri costisitoare de extindere a instalației. Factorul de putere “cos ” este raportul intre puterea activă si puterea aparentă.

Fig. 4.1: Principiul compensării curentului reactiv

cu o instalație de reglare cu condensatori

Pentru a înbunătăți factorul de putere existent (cos 1) al unui utilizator, la valoarea ceruta de lege, impusa la cos 2 0,92, se utilizează următoarea formulă:

(4.1)

La proiectarea unei instalații de reglare cu condensatori, se poate pleca de la premiza ca intr-o rețea cu un număr predominant de motoare asincrone cu un cos mediu de 0,7 este necesara o putere a condensatorilor de cca. 50 % din puterea activa, pentru a tinde către un cos2 0,92. O instalație de reglare a puterii reactive se poate proiecta simplu si precis, dacă se folosește una din metodele prezentate in continuare.

Exemplu de calcul pentru compensarea unui consum de 7 kVA de la cos1=0,7 la cos2=0,95:

Valori calculate fără compensare:

Puterea aparenta: S1=7 kVA

Factorul de putere: cos 1=0,7

Curentul aparent: I1=7kVA/3/400V=10.11 A

Puterea activa rezultata P: P=S1xcos 1=4.9 kW

Valori calculate cu compensare:

Factorul de putere îmbunătățit: cos 2=0,95

Puterea aparenta redusa: S2=4.9 kW/0,95=5.15 kVA

Curentul aparent redus: I2=5.15kVA/3/400V=7.44A

Compensarea factorului de putere are urmatoarele avantaje:

Reducerea puterii aparente:

= (7 kVA – 5.15 kVA) / 7 kVA = 26%

Reducerea pierderilor la transmisie:

= (10.11A2 – 7.44A2) / 10.11A2 = 46%

Prin compensarea de la cos1=0,7 la cos2=0,95 poate fi transmisa o putere activa cu 26% mai mare iar pierderile prin transmisie se micșorează cu 46%.

Instalația de reglare nefiltrată cu condensatori este recomandabilă atunci când:

se exploatează mulți consumatori diferiți;

se modifica in permanentă consumatorii;

puterea redresoarelor nu reprezintă mai mult de 20% din puterea totală a consumatorilor.

Regulatorul de putere reactivă are rolul sa comande astfel instalația de reglare cu condensatori, încât sa se cupleze sau sa se decupleze succesiv puterea reactivă corespunzătoare necesarului variabil de curent reactiv. Datorita unui program de optimizare, instalația de reglare reacționează mai rapid la abateri mari intre valoarea impusa si cea existenta, si mai lent la abateri mici, pentru a se evita apariția unor comutări oscilante. Alegerea instalațiilor corespunzătoare de reglare cu condensatori trebuie astfel efectuata încât sa se atingă cos dorit la valoarea medie a puterii.

In funcție de puterea fiecărei instalații se alege o instalație de reglare cu până la 12 trepte, deși, de obicei, 6 trepte sunt suficiente.

La instalațiile mici si cele de mărime mijlocie de până la cca. 150 kvar, se încearcă menținerea prețului cat mai jos posibil prin utilizarea a cat mai puține aparate de comutare; este posibil si prin conectarea de condensatori cu puteri diferite (de exemplu secvența de reglare 1 : 2 : 2 : 2 …).

In figura 4.2 este prezentata diagrama puterilor pentru o instalatie de consumatori necompensata si compensata, iar in figura 4.3 o rețea de consumatori cu o instalație centrala de reglare cu condensatori.

P=U x I x cos =S cos

Q=U x I x sin =S sin

Fig. 4.2: Diagrama puterilor pentru o instalație de consumatori, necompensata si compensata.

Fig. 4.3: Rețea de consumatori cu o instalație

centrala de reglare cu condensatori.

Exemplu de calcul a puterii reactive necesare pentru cresterea factorului de putere de la cos 1=0,7 la Cos 2 dorit=0,95 pentru P = 12 kW:

Qc = P x (tan1-tan2) =12 kW x (1,02-0,33) = 8,28 kVar

Tabelul pentru conversia de la cos la tan pentru determinarea puterii de compensare necesare este dat in anexa 1.

Calculul puterii reactive Q [kVAr] plecând de la P [kW]:

cosinițial=0,68; cosdorit=0,96; coeficientul K=0,79; puterea P=12 kW

Rezulta puterea reactivă: Q = P x K = 12 x 0,79 = 9,48 kVAr

Tabelul pentru alegerea coeficientului K in functie de factorul de putere este dat in anexa 2.

3.1 Probleme de rezonantă la bateriile de condensatoare

In rețelele industriale moderne trebuie sa se ia in considerare un procent mai mare sau mai mic de armonici. La utilizarea de instalații de reglare cu condensatori si / sau condensatori de compensare fixa in rețele de exploatare cu o componenta de putere la invertoare mai mare de 20% din puterea totala, se pot produce fenomene periculoase de rezonanta (Fig. 4.4).

Dacă se considera puterea instalată de condensatori in corelație cu inductivitățile rețelei (reactanța inductiva a transformatorului) atunci se observa ca acestea formează, privind dinspre partea de joasa tensiune, un circuit oscilant paralel cu frecventa rezultanta proprie fR.

Dacă aceasta frecventa proprie corespunde perfect cu o armonica a rețelei, atunci circuitul oscilant paralel va fi atacat de către aceasta. Prin aceasta se ajunge la fenomene de suprasolicitare si, posibil, de defectare.

De aceea, este necesar ca înainte de a stabili dimensionarea unei instalații de reglare cu condensatori si a treptelor acesteia si/sau a condensatorilor de compensare fixa, sa se efectueze mai întâi, din motive de tehnica securității, o verificare a posibilelor situații de rezonanta. Puterile de compensare critice la armonici de rețea de ordinul pot fi determinate după cum urmează:

uK = tensiunea de scurtcircuit a transformatorului [%] (4.2)

Fig. 4.4: Schema simplificata pentru situația de rezonanta la

instalații de condensatori si / sau condensatori de putere

3.1.1 Creșteri de tensiune datorate instalațiilor de reglare cu condensatori:

In practică se mai întâlnesc creșteri de tensiune datorate condensatorilor. Acestea mai apar numai in cazul in care se conectează la rețea o putere de compensare fixa neobișnuit de mare. Creșterea de tensiune depinde atunci, in mod destul de apropiat, de raportul dintre puterea condensatorilor si puterea transformatorului:

(4.3)

De exemplu:

Strafo = 630 kVA, uK = 6 %, QC = 250 kvar

U = 250 x 6 / 630 = 2,38 % pentru UN = 400 V 9,5 V

Pentru proiectarea, amplasarea si racordarea condensatorilor de putere trebuiesc respectate următoarelor prescripții si recomandări europene:

VDE 0100 “Norme pentru realizarea instalațiilor de curenți tari cu puteri nominale până la 1000 V”.

VDE 0560 Cap. 46 “Condensatori paraleli de putere cu autoreparare pentru instalații de curent alternativ cu o tensiune nominala până la 1000 V; din acesta in special paragrafele principale “Cerințe de Tehnica Securității” si “Introducere in Realizare si Exploatare”.

VDE 0550 Cap. 550 “Combinații de aparate de comutare pentru joasa tensiune”.

VBG4 “Colecție de prescripții privind prevenirea accidentelor a Consiliului de Conducere al Asociațiilor Profesionale”.

DIN 40050 Pag. 1 “Protecția la atingere, corpuri străine si apa pentru utilaje electrice”.

Condiții tehnice de racordare (TAB) a VDEW (Uniunea Electrocentralelor Germane)

Condensatorii de putere sunt acele unitățile trifazate, de obicei conectate in triunghi, care se utilizează exclusiv pentru îmbunătățirea cos in rețelele de consumatori. La acestea capacitatea rezulta din puterea reactivă ce trebuie compensata.

(4.4)

Ex: Condensator de putere trifazat 50kvar/400 V/50 Hz

(4.5)

La dimensionarea unei baterii de compensare trebuiesc luate în calculul

și toleranțele de capacitați si de putere:

Conform VDE 0560 Cap. 46 si IEC 831 – 1 si 831 – 2 sunt valabile următoarele linii directoare:

– pentru instalații de condensatori până la 100 kvar : -5 la +15 % (ESTA 5 %)

– pentru instalații de condensatori peste 100 kvar : 0 la +10 % (ESTA + 5 %)

La condensatorii trifazați trebuie ca raportul intre valoarea maxima si minima a capacitații măsurate intre racordurile la rețea sa nu depaseasca 8 %.

Factorul de pierderi în dilelectric la condensatorii de putere ESTA – PhMKP, este mai mic de 2,5 x 10-4.

Condensatorii de putere pot lucra in suprasarcină astfel:

Suprasarcină în tensiune: 1,1 x UN 8 h zilnic

1,15 x UN 30 min. zilnic

1,2 x UN 5 min.

1,3 x UN 1 min.

Suprasarcină în curent: Pentru condensatorii de putere ESTA – PhMKP

este admisibil 1,3 ori curentul nominal.

3.1.2 Descărcarea condensatorilor de putere:

Cap. 46 DIN VDE 0560 paragraful principal 4 spune ca fiecare unitate condensator si / sau baterie trebuie sa fie echipată cu un dispozitiv auxiliar pentru descărcare.

Cu ajutorul acesteia trebuie ca orice unitate sa se descarce, in decurs de max. 3 minute (180 secunde), de la valoarea limita existenta anterior (2 x UN) la 75 V sau mai puțin. Pentru aceasta pot fi folosite atât rezistente cu o putere corespunzătoare cat si bobine.

Valoarea rezistentei pentru rezistentele de descărcare la condensatorii de putere trifazați se determina cu următoarea formula:

(4.6)

Ex: Condensatori de putere trifazați 50 kvar, 400V, 50Hz

R 180 / 331,5 x 106 (ln (2 x 400) – ln 75) = 268,7 k

P 4002 / 268700 = 0,6 W

Timpul de descărcare la condensatorii ESTA este mai mic de 1 minut.

La instalațiile de reglare cu condensatori, contactorii sunt mai solicitați, in mod semnificativ, la cuplarea treptelor de condensatori.

Aceasta se întâmpla datorita cuplării in paralel cu treptele de condensatori deja cuplate. La cuplarea unei noi trepte de condensatori, curentul de comutare este amortizat numai in mică măsura de către conductoarele de legătura relativ scurte si de pierderile reduse ale condensatorului.

De aceea trebuie ca, funcție de condițiile constructive sa se ia in calcul un vârf de curent la cuplare de până la de 200 x IC.

Domeniul de temperatura in bateria de condensatoare:

Temperatura aerului de răcire K este temperatura aerului de răcire măsurată in condiții de funcționare in punctul cel mai cald, de exemplu intre condensatori.

Tabelul 4.1 Definirea claselor de temperatura conform VDE 0560 Cap. 46 si CIE Publ. 831

Temperatura limita inferioara min este cea mai mică temperatura in punctul cel mai rece al suprafeței unui condensator, la care condensatorul încă mai poate fi cuplat.

Temperatura limita superioara max este temperatura care este permis sa apăra in cazul cel mai defavorabil la punctul cel mai cald al suprafeței unui condensator, inclusiv încălzirea proprie.

Gradul de protecție:

Pentru diversele forme constructive se indica respectivele grade de protecție, conform DIN 40050. Gradele de protecție se notează printr-un simbol care este compus din literele “IP” si două cifre combinate pentru gradul de protecție [13][19][28].

Tabelul 4.2 Gradele de protecție indicate, pe scurt

3.2 Armonice, origini si efecte

Progresul tehnic si răspândirea pe scara largă a componentelor electronice de putere au transformat mulți utilizatori in “consumatori neliniari”.

Acești consumatori neliniari antrenează de la rețea un curent nesinusoidal chiar când este alimentat cu tensiune sinusoidala. Curentul nesinusoidal poate fi descompus in interesul analizei Furier intr-o serie de oscilații sinusoidale individuale, adică oscilația fundamentala a rețelei la principala frecventa fn si un număr de oscilații armonice nedorite de frecventa f = x fn (=nr. de ordine). Variatele oscilații au frecvente care sunt de ordinul multiplu v al frecventei principale fn, a căror amplitudine descrește odată cu creșterea numărul de ordine .

În general, vom numi aceste oscilații simplu: armonici. Tabelul 4.3 prezintă frecventele lor la o frecventa a rețelei de fn = 50Hz.

Tabelul 4.3 Frecventa armonicei in functie de frecventa retelei

Pentru toate frecventele înalte f ( sau frecventa unghiulara ω = 2 x π x f), reactanța capacitiva a condensatorului C cuprins în rețeaua pentru curent reactiv de compensare, descrește. Ca o consecința a acesteia, si dependenta de tipul si încărcarea rețelei, curenții armonici cauzează o sarcina suplimentara pe condensatori, diminuând astfel durata de viata a acestora.

Probleme care apar la funcționarea echipamentului cu condensatori:

supraîncărcarea termică a condensatorilor;

apariția rezonantei între reactanța inductiva a rețelei si reactanța capacitiva a condensatorilor: când efectele reactanțelor capacitive si inductive se anulează reciproc, curentul creste si va fi limitat numai de rezistenta ohmică, curentul având o valoare de vârf ridicata, si acesta putând fi un supracurent periculos, cauzând semnificative pericole pentru echipamente. O variație a acestor condiții de rezonanta poate coincide cu echipamentul de corectare a factorului de putere, depinzând de mărimea si numărul de trepte ale echipamentului.

circuite de blocarea emiterii de frecvente audio care perturbează funcționarea receptoarelor.

când se utilizează convertori de curent, se creaza curenți extrem de mari în perioada de comutare a fazelor; frontul de comutare a acestor curenți pot defecta componentele de putere.

frecventa principala: frecventa fundamentala a rețelei.

3.2.1 Filtru dezacordat

Filtrele dezacordate constau dintr-un condensator si un reactor (inductanța) conectate în serie, formând un circuit rezonant. Dacă frecventa rețelei fn este mai joasa decât frecventa de rezonanta fres a filtrului, trebuie adăugat ca performantele capacitive ale filtrului să conțină compensarea curentului reactiv. Mai sus de frecventa de rezonanta, performantele trebuie aranjate în așa fel încât sa se comporte ca o inductanța; aceasta înseamnă ca, în cazul în care fn > fres, nu exista rezonanta cu inductanța rețelei.

Pentru frecventa de rezonanta, circuitul în serie se comporta ca o pura rezistenta, adică curentul este limitat numai de rezistenta ohmică, si curentul este șuntat pe calea cea mai ușoara. Pentru a produce un circuit în serie în banda, frecventa de rezonanta trebuie sa fie cuprinsa pe o armonica a rețelei. Aceasta reduce considerabil nivelul tensiunii armonicei, adică armonica este eliminata.

Circuitul de rezonanta în serie este numit dezacordat atunci când frecventa de rezonanta fres nu coincide cu o armonica a frecventei rețelei fn. Dezacordul trebuie sa fie realizat mai jos decât cea mai mică armonica probabila.

Filtrele dezacordate sunt necesare pentru protecția condensatorilor împotriva rezonantei si a curenților mari rezultați.

La o frecventa apropiata, se poate obține blocarea frecventei audio sau parțial reducerea efectului armonicei.

Dezacordul este recomandat când convertoarele cu sarcina pe rețea generează armonice între 15 si 20% din consumul total de putere din rețea. Condensatorii dezacordați sunt selectați exclusiv în acord cu puterea reactivă pentru care se dorește corectarea factorului de putere. Astfel, oriunde este planificat un nou echipament de corecție a factorului de putere, trebuie determinata influenta convertoarelor asupra rețelei. Aceasta poate fi executata, de exemplu, la analiza curentului prin măsurarea armonicei. Același lucru poate fi efectuat atunci când se planifica o extindere a echipamentului existent. De obicei, când echipamentul existent este nedezacordat, el nu poate fi dezacordat deoarece dezacordarea creste tensiunea pe condensator, care este funcție de factorul de dezacord p; si tensiunea pe condensator va fi descrescuta în raport cu tensiunea respectivei rețele.

3.2.2 Factorul de dezacord

Factorul de dezacord p (exprimat în %) este definit de frecventa rețelei fn si de frecventa de rezonanta dorita fres.

(4.7)

Alternativ, de la factorul de dezacord dat, frecventa de rezonanta fres a filtrului poate fi calculata astfel:

(4.8)

Exemple de factori de dezacord când frecventa principala este fn=50Hz:

Folosind formulele (4.7) și (4.8), factori de dezacord, care sunt frecvent folosiți, la frecventele de rezonanta corespunzătoare sunt dati în tabelul 4.4.

De notat ca frecventa de rezonanta fres descrește odată cu creșterea factorului de dezacord p si invers.

Factorul de dezacord p < 6% impune o analiza precisa a condițiilor de pe rețea, cu scopul de a evita încărcarea inadmisibila, având drept sursa armonicele.

Tabelul 4.4 Factorul de dezacord p si frecventa de rezonanta fres

Următoarele criterii sunt relevante în selectarea factorului de dezacord:

localizarea si stabilirea tipului de generator de armonici,

extinderea componentelor pentru blocarea frecventelor audio,

raportul dorit de reducerea armonicelor.

Dacă armonicele sunt produse mai ales în rețeaua de alimentare, factorul de dezacord p=7% este recomandat, deoarece efectele blocării pentru aceste armonice cresc.

Dacă armonicele sunt produse în rețeaua consumatorilor, va fi selectat factorul de dezacord care produce cea mai mare reducere a armonicelor din rețeaua consumatorilor.

Exemple:

Circuitul serie este dezacordat cu factorul p = 7%. Folosind formula (4.8), rezulta următoarea frecventa de rezonanta:

Tensiunea rețelei este Un = 400V (faza-faza) cu necesitatea compensării armonicei fundamentale la o putere de ieșire Nc.

Apoi, tensiunea UC între terminalele condensatoarelor se calculează în modul următor:

Este ales un condensator cu tensiunea Ucr = 440V. Aceasta permite o tensiune de rezerva de aproximativ 10V pentru sarcinile armonice. Condensatorul cu puterea de Qcr, este calculat astfel:

Pentru o putere de ieșire de Nc = 50kvar la o rețea de 400V, condensatorul împreuna cu o tensiune de 440V, va produce la ieșire:

La aceasta ieșire, capacitatea condensatorilor conectați în stea poate fi calculata astfel:

Capacitatea condensatorilor conectați în triunghi CΔ se calculează astfel:

Pentru funcționarea circuitului în serie, conectarea în stea sau triunghi a condensatorilor nu are importanta.

Inductanța bobinei se calculează astfel:

Bobina trebuie sa fie calculata la valoarea totala a curentului (fundamentala+curenți armonici). Suplimentar, inductanța trebuie sa aibă o suficienta liniaritate, astfel ca rezonanta frecventei fres sa rămână fermă. De asemenea, capacitatea condensatorilor trebuie sa rămână constantă. In consecință, este recomandată posibilitatea de utilizare a unui număr mic de condensatori folosiți pe trepte de ieșire.

Cu condensatori ESTAprop® de tip PhMKP 440.3.28,1, 28,1kvar la 440V, se poate realiza un echipament de filtrare. Pentru exemplul menționat mai sus, două unități din acest filtru sunt necesare pe o treaptă (Fig. 4.5) [5][18][21].

Fig. 4.5 Treapta cu doi condensatori

4. BATERIE DE CONDENSATOARE PENTRU COMPENSAREA PUTERII REACTIVE

Bateriile de condensatoare, utilizate pentru compensarea puterii reactive de frecventa fundamentala sunt esențiale pentru funcționarea economică a rețelei care include sarcini rezistiv-inductive. Sarcinile neliniare nou apărute sunt, de asemenea, omniprezente, astfel ca au rezultat două noi riscuri în jurul si în bateria de condensatoare:

supraîncărcarea în curent a condensatoarelor

rezonanta paralela a condensatoarelor cu bobinele aflate în vecinătatea (electrica) lor.

4.1 Caracteristici ale bobinelor si condensatoarelor

Din punct de vedere electric, o bobina este analoga inerției maselor într-un sistem mecanic. Bobina, o componenta cu o inductivitatea intenționat realizata si valoare bine definita, reprezintă un echivalent electric al unui volant cu ajutorul căruia a fost definita inerția. Desigur, orice are masa are si inerție; în același mod se poate spune ca orice element al unui conductor are o inductivitate parazita.

Atât inductivitatea L cât si capacitatea C reprezintă componente reactive cu o reactanța si o putere reactivă primita/debitata, având în vedere faptul ca puterea reactivă capacitiva absorbita este echivalenta cu puterea reactivă inductiva debitata si invers. Puterea reactivă nu are, în consecința, un sens clar definit al propagării.

Reactanța este calculata în modul următor:

(5.1)

Reactanța inductiva XL este proporționala cu frecventa f, iar reactanța capacitiva este invers proporționala cu frecventa f. La conectarea în paralel a unei bobine cu inductivitatea L si a unui condensator cu capacitatea C exista o frecventa f0 la care reactanțele sunt egale – aceasta este frecventa de rezonanta. Frecventa oscilațiilor din circuitul rezonant LC este calculata cu relația:

(5.2)

Trebuie precizat ca, variația curentului electric este inductiva sau capacitiva în raport cu variația tensiunii, de exemplu, la trecerea prin zero. Aceasta este datorata energiei acumulate în condensator si a caracteristicilor particulare ale formei curbelor.

Capacitatea electrica corespunde rezilienței (elasticității) componentelor mecanice. Un condensator poate fi realizat cu o capacitate definita, corespunzând resortului unui sistem mecanic, însa, așa cum un material este rezilient (elastic) la orice întindere, la fel este, într-o oarecare măsura, si capacitatea parazita între două piese din material conductor.

Problema este dacă aceasta reactanța parazita are un rol important în practică. La înalta tensiune si la frecventa înalta, de cele mai multe ori are, însa nu acesta este cazul la nivelul tensiunilor joase si la frecventa industriala.

Energia corespunzătoare fiecărei dintre cele două energii acumulate este data de relațiile:

(5.3)

în care:

D – este constanta de elasticitate (alungirea raportata la forța, legea lui Hook)

s – alungirea (distanta momentana fata de punctul de repaus)

m – masa

v – viteza maselor în mișcare

Unde s si v ar putea si ar trebui sa fie scrise ca funcții de timp s(t) si v(t), deoarece acestea au o variație periodica în raport cu timpul.

Dacă se analizează împreuna cele două mărimi, masa inerțiala si elasticitatea resortului, rezulta un sistem cu două elemente de stocare a energiei. Energia care este eliberata de câtre unul dintre elemente poate fi transferata direct în celalalt element. Dacă resortul este întins si comprimat, masa va fi accelerata, cu forța determinata de relaxarea resortului. La trecerea prin zero a forței, resortul este într-o poziție de repaus, iar masa se mișca cu viteza maxima. Deoarece masa are inerție, ea își va continua mișcarea, compresând resortul, astfel ca energia este transferata de la masele în mișcare înapoi la resort. Atunci când energia acumulata este într-un condensator si într-o bobina, tensiunea mecanica în resortul care se alungește si se comprima poate fi corelata cu polaritatea pozitiva/negativa a tensiunii electrice la bornele condensatorului, iar viteza maselor cu curentul electric, cu modificarea polarității la intervale regulate. Toate modificările de polaritate au loc alternativ si la intervale constante, mai întâi tensiunea si apoi curentul electric, la fiecare sfert de perioada (sau la fiecare 90° deoarece toate variațiile celor două mărimi, tensiunea mecanica si viteza în modelul mecanic, precum si tensiunea si curentul electric, în modelul electric, urmăresc o variație sinusoidala). Dacă se are în vedere defazajul de 90°, se poate spune ca una dintre mărimi urmează o funcție cosinusoidala si dacă se considera componentele liniare si fără pierderi, la un moment dat pe durata oscilației:

(5.4)

iar energia interna:

în orice moment (5.5)

Pentru componente reale apar pierderi si defazajul curentului electric în raport cu tensiunea, cu componente inductive/capacitive, are o valoarea puțin mai mică de ± 90°, deoarece, dacă se funcționează în limitele normale, pierderile sunt reduse si influenta neliniarității miezului magnetic al bobinei este neglijabila din punct de vedere tehnic, dacă bobina este corect dimensionata.

Curba sinusoidală

Tensiunea sinusoidala determina un curent sinusoidal si un curent sinusoidal determina căderi de tensiune sinusoidale. Este acest lucru valabil numai pentru funcții sinusoidale sau si pentru alte funcțiuni?

Răspunsul direct este ca reprezintă o caracteristica a curbelor sinusoidale. Aceasta se observa dacă se urmăresc exemplele pentru alte forme de unde cum sunt cele din figura 5.1 si figura 5.2.

Fig. 5.1 Tensiunea dreptunghiulara determina un curent de forma

trapezoidala într-o bobina ideala (fără pierderi)

Numai pentru elementele rezistive, valoarea instantanee a tensiunii este proporționala cu valoarea instantanee a curentului electric, astfel încât o curba de tensiune determina o curba de curent electric de aceeași forma si invers. În cazul sarcinilor reactive (de exemplu, în cazul unei bobine L) valoarea instantanee a tensiunii este proporționala cu derivata curentului electric în raport cu timpul (di/dt) sau (în cazul unui condensator C) curentul electric este proporțional cu derivata valorii în raport cu timpul (du/dt).

Fig. 5.2 Curent electric de forma triunghiulara ce parcurge un condensator

Același lucru rezulta pentru curbele în sinus si cosinus (fig. 5.3).

Fig. 5.3 Tensiunea sinusoidala determina un curent sinusoidal

Curbele sinusoidale de tensiune și de curent electric au aceeași forma pentru componentele rezistive și reactive, luând în considerare defazajele. Pentru componentele reactive, tensiunea este proporționala cu derivata curentului. Deoarece derivata sinusului este cosinusul, care are aceeași forma a curbei, dar numai punctul de origine este diferit. Atunci când punctele inițiale ale tensiunii de rețea și curentului sunt undeva în trecut, ceea ce nu mai prezintă interes, apare ca și cum tensiunea sinusoidala determina un curent sinusoidal și curenții sinusoidali determina căderi de tensiune sinusoidale cu un anumit defazaj între curbe.

Puterea reactivă

În sarcinile rezistive, valorile instantanee ale tensiunii și curentului electric sunt proporționale (fig. 5.4), dar în cazul componentelor pur reactive acest lucru nu este adevărat (fig. 5.6). În ultimul caz, dacă una dintre mărimi are o curba de forma sinusoidala, la fel este și cealaltă, însa cu un defazaj între ele; rezulta ca pe durata a două intervale ale fiecărei perioade a tensiunii alternative, cele două mărimi au același semn, însa pe durata altor două intervale au semne diferite. Pe durata intervalelor în care tensiunea și curentul electric au polaritatea diferite, puterea instantanee este negativa, astfel încât, pe aceste intervale, puterea se întoarce de la consumator spre „sursa” de alimentare. Energia electrica absorbita cu un sfert de perioada înainte nu a fost consumata (de exemplu, transformata în alta forma de energie, cum ar fi căldura) ci a fost stocata și este apoi retransmisa înapoi în rețeaua de alimentare. Puterea „activa” real transferata pe durata fiecărei perioade este egala cu integrala puterii instantanee, ceea ce corespunde ariei sub curba valorilor instantanee ale tensiunii înmulțite cu valorile instantanee ale curentului electric (suprafețele hașurate în figurile 19, 20 și 21) din care trebuie scăzute ariile de sub abscisa. Puterea reactivă fundamentala este de fapt o oscilație a energiei [1][32].

Fig. 5.4 Sarcina rezistiva Fig. 5.5 Sarcina rezistiv-inductiva Fig. 5.6 Sarcina inductiva

4.2 Compensarea puterii reactive

Într-o rețea electrică obișnuită sunt mai multe sarcini simultan în funcțiune. Multe sunt rezistive, unele au componenta capacitiva, a căror curent este cu puțin în avans fata de curba tensiunii (curent capacitiv), iar altele au o componenta inductiva, al căror curent este în urma tensiunii aplicate. În cele mai multe rețele electrice sarcinile rezistiv-inductive sunt preponderente, astfel încât curentul total are o caracteristica rezistiv-inductiva (fig. 5.5). În acest fel, în mod permanent, deși nedorit, oscilațiile de energie reprezintă o circulație adiționala a curentului electric în cabluri și transformatoare, ceea ce creste încărcarea acestora, determina pierderi active suplimentare și utilizează o parte importanta a capacitații acestora de încărcare. Din aceasta cauza, principalele motive pentru compensare sunt de a evita:

cerere nedorita de capacitate de transport;

pierderi de energie determinate astfel;

determinarea unor căderi suplimentare de tensiune și a unor curenți suplimentari în rețeaua de distribuție.

Căderile suplimentare de tensiune în rețea sunt importante; curentul reactiv circulând printr-un element rezistiv determina pierderi active. Atunci când o impedanța este în principal reactivă, o modificare rapida a curentului reactiv poate determina flicker.

4.2.1 Controlul și reglarea puterii reactive

Se realizează foarte simplu prin conectarea unei sarcini capacitive adecvate în paralel cu sarcina rezistiv-inductiva, astfel încât componenta inductiva sa fie anulata. Astfel ca, atunci când elementul capacitiv este încărcat, transmite energia sa acumulata înapoi în rețea, iar elementul inductiv o preia si vice-versa, având în vedere faptul ca curenții capacitivi și inductivi circula în sensuri opuse, în fiecare moment. În acest mod, curentul total este redus prin adunarea curentului capacitiv la curentul de sarcina. Aceasta operație se numește compensare paralela.

Este necesar să se cunoască cea mai mare sarcina inductiva în instalație, în caz contrar poate apărea o supracompensare. În acest caz, instalația va căpăta caracteristicile unei sarcini rezistiv-capacitive și în cazurile extreme ar putea agrava situația fata de starea de necompensat. Dacă sarcina – mai precis, componenta sa inductiva – variază, este necesară o compensare variabila. În mod normal aceasta se obține prin gruparea condensatoarelor în secții și conectarea și deconecarea unor secții, în mod adecvat, cu ajutorul întreruptoarelor.

Aceste operații determină, bineînțeles, vârfuri de curent care cu timpul conduc la uzarea contactelor, riscul sudarii contactelor și inducerea de tensiuni în circuitele de transmisiuni de date paralele. Este necesar a acorda atenție la conectare; atunci când unui condensator complet neîncărcat i se aplica tensiunea, în momentul când aceasta are valoarea de vârf, curentul inițial este egal cu cel din cazul unui scurtcircuit. Situația este și mai grea atunci când are loc conectarea la scurt timp după o deconectare, condensatorul fiind aproape complet încărcat cu polaritate inversa, rezultând astfel un curent inițial aproape dublu fata de valoarea de vârf a curentului de scurtcircuit în zona. Dacă în zona sunt mai multe surse în comutație pentru alimentarea unor sarcini, deoarece lucrează în același sistem, atunci condensatorul pentru compensare încărcat, la reconectarea la sursa de alimentare, poate încărca direct multiplele condensatoare de filtrare descărcate, mai mult sau mai puțin direct de la un condensator la altul cu o impedanța redusa între ele. Valoarea de vârf a curentului rezultat are o durata extrem de redusa însa este extrem de mare, mult peste valoarea curentului de scurtcircuit. În acest caz sunt raportate, în mod frecvent, avarii la echipamente, în special la contactele contactoarelor care controlează secțiile de condensatoare, determinate de întreruperile scurte în rețeaua electrica care sunt rezolvate automat, de exemplu cu ajutorul reanclanșării automate, pentru a stinge arcul electric pe liniile aeriene de înalta sau medie tensiune. Se afirma de multe ori ca aceasta dublare a valorii de vârf nu este posibila în cazul condensatoarelor echipate cu rezistor de descărcare în conformitate cu CEI 831. Totuși, standardul cere ca reducerea tensiunii până la sub 75 V sa se facă într-un interval de 3 minute, astfel încât aceasta are un efect redus pe durata întreruperilor scurte de câteva zeci de milisecunde până la câteva secunde.

Dacă în momentul reconectării condensatorului la tensiunea de linie, tensiunea reziduala la bornele condensatorului se întâmpla sa fie egala cu tensiunea de alimentare, atunci nu apare șoc de curent. Acest lucru este adevărat dacă condensatorul prezintă o capacitate pura, iar tensiunea corespunde unei surse ideale de tensiune, ceea ce înseamnă ca prezintă o impedanța interna nula. Dacă inductanța interna a sistemului se ia în considerație, pot sa apăra unele fenomene de rezonanta între aceasta și condensatoare.

Să consideram următorul caz: tensiunea reziduala a condensatorului este jumătate din valoarea de vârf si egala cu valoarea instantanee a tensiunii de linie, ceea ce rezulta la unghiul de 45° după trecerea tensiunii prin zero:

(5.6)

În acest moment, curentul în condensator ar trebui sa fie:

(5.7)

Aceasta însa nu este adevărat deoarece condensatorul a fost deconectat de la sursa până în acest moment. În momentul conectării, Dacă se neglijează inductivitatea sistemului, curentul va creste imediat la aceasta valoare și nimic nu ar putea sa apăra în plus în acest regim staționar. Dar sistemul real nu este fără inductivitate, astfel încât curentul să ajungă la aceasta valoare fără oscilații la început, apoi accelerează și – din nou datorita inductivității, corespunzător „inerției” – rezulta un impuls peste valoarea finala, pe un traseu apropiat, până la dublul valorii finale. Apoi valoarea sa scade și așa mai departe și astfel rezulta oscilații pe o perioada redusa care se reduc până la zero, pe durata a câtorva perioade după conectare. Frecvența acestor oscilații poate fi mai mare atunci când inductivitatea sistemului este mică și poate determina perturbații în instalații. Numai atunci când valoarea instantanee a tensiunii de linie și tensiunea reziduala la bornele condensatorului au amândouă aceeași valoare negativa sau pozitiva, moment în care valoarea instantanee a curentului are valoarea zero, curentul rezistiv inductiv nu va prezenta oscilații în momentul conectării.

Mai precis, trebuie să fie îndeplinite două condiții. Prima, suma căderilor de tensiune la bornele condensatorului și la bornele bobinei serie (parazita sau pentru dezacordare intenționată) trebuie sa fie egala cu tensiunea de linie. A doua condiție, curentul instantaneu din rețea, considerat ca este conectat de mult timp înainte, trebuie sa fie egal cu curentul actual din condensator, care, bineînțeles, era nul înainte de conectare. Aceasta a doua condiție este îndeplinita numai dacă valoarea de vârf a tensiunii de linie este egala cu tensiunea la bornele condensatorului. Se obține acest lucru dacă condensatorul este preîncărcat de la o sursă suplimentara. Soluția are un avantaj secundar minor care consta în aceea ca aceasta valoare corespunde energiei maxime acumulata în condensator când acesta nu este conectat, astfel încât în momentul conectării poate ajuta la limitarea unor goluri de scurta durata și, în subsidiar, flickerul care altfel ar putea sa apară.

Contactoarele sunt, în orice caz, prea lente și nu au o precizie de funcționare suficienta pentru a realiza conectarea la un moment dat al curbei. Dacă se folosesc contactoare, trebuie luate masuri pentru a limita curentul de vârf inițial, de exemplu cu ajutorul unui rezistor de limitare sau cu o bobina serie. Cea de a doua soluție este mai des utilizata totuși pentru alte și uneori este ceruta de câtre furnizorul de energie. Deși aceasta bobina serie deplasează vârful curentului inițial de la operația de conectare la operația de deconectare în momentul maximului de tensiune a sursei, totuși este mai puțin dăunător, deoarece puterea reactivă a bobinei este o fracțiune din puterea reactivă a condensatorului, astfel încât puterea rezultanta este mai mică.

Întreruptoarele electronice, cum sunt cele cu tiristoare, pot în mod simplu sa controleze în mod precis momentul conectării într-un punct dat al curbei. Este deci posibil sa se controleze procesul de conectare astfel încât sa se limiteze flickerul rapid determinat de sarcina inductiva cu variație în limite largi, ca de exemplu motorul unei macarale, un cuptor cu arc electric sau o instalație de sudare.

O soluție alternativa, utilizata frecvent în unele zone din Europa este SVC (Static VAr Compensator), cuprinzând un condensator fix, conectat în paralel cu o bobina controlata (Thyristor Controlled Reactor – TRC).

Compensarea centralizata sau locala

În mod obișnuit este plasata o instalație de compensare statica, de putere mare, în punctul comun de conectare, la intrarea consumatorului, care corectează factorul de putere până la nivelul cerut pentru a evita creșterea facturii, în mod obișnuit cos.=0,9 sau cos.= 0,95. O alternativa constă în dispersarea mijloacelor de compensare în apropierea sarcinilor rezistiv-inductive și, în caz limita, individual la bornele receptoarelor de putere reactivă.

Compensarea centralizata este de obicei preferata fiind mai ieftina, deoarece unitatea centrala are un cost de achiziție mai redus fata de aceeași putere reactivă plasata în unități mici. Capacitatea de compensare instalata poate fi mai mică deoarece se poate considera ca nu toate receptoarele de putere reactivă sunt simultan în funcțiune. Totuși trebuie reamintit faptul ca puterea reactivă determina pierderi active în interiorul sistemului industrial – căderile de tensiune în elementele rezistive, cum sunt cablurile, sunt în faza cu curentul electric, astfel ca produsul, pierderilor de putere, este mereu pozitiv. Compensarea centralizata nu va reduce aceste pierderi, ci reduce numai factura datorata factorului de putere impus de câtre furnizor. Pe de alta parte, atunci când compensarea este descentralizata (locala), costul total al unităților individuale este mai mare decât costul unei singure unități mari, iar capacitatea de compensare instalata este în mod obișnuit mai mare – fiecare receptor este compensat, aflat sau nu în funcțiune. Pierderile sunt reduse deoarece puterea reactivă circula numai între instalația de compensare și receptor, fata de cazul de mai sus până la instalația centralizata de compensare aflata în punctul comun de cuplare.

Dacă sarcina totală a unui transformator este capacitiva, tensiunea de ieșire creste peste cea nominala. Acest efect era odată utilizat pentru anularea căderii de tensiune datorata transformatoarelor puternic încărcate. Sarcina este supracompensata astfel încât sarcina totala apare ca fiind capacitiva la transformator și, reducând astfel căderea de tensiune inductiva în transformator. În cazurile în care sunt conectate și deconectate, în mod frecvent sarcini mari, determinând probleme de flicker, aceasta poate fi o soluție mai robusta și fiabila fata de o instalație electronica de compensare a flickerului, cu o eficienta considerabil mai mare în privința costurilor, în cazurile în care un nivel de compensare ar fi necesar în orice caz.

În general, supratensiunile la transformator în cazul sarcinii capacitive reprezintă un risc, iar acesta trebuie evitat sau trebuie redus într-un mod adecvat, de exemplu, utilizând o tensiune de dimensionare puțin mai mare decât tensiunea nominala (cu circa 6 %). Uneori este necesar sau acceptabil sa se conecteze instalația de compensare la nivelul MT și poate fi avantajos sa se conecteze condensatoare de JT prin intermediul unui transformator MT/JT decât sa se plătească preturi ridicate pentru condensatoarele de MT. În aceste cazuri, sarcina transformatorului este capacitiva și tensiunea de ieșire este mai mare decât cea dorita. Acest lucru poate fi redus printr-o selecție adecvata a componentelor cu o tensiune corespunzătoare de dimensionare sau alegând raportul de transformare, utilizând prizele acestuia, pentru a reduce tensiunea. Aceasta ultima soluție este preferabilă atunci când, în acest fel, se evita funcționarea transformatorului în stare supraexcitata și în consecința cu pierderi mari.

Puterea reactivă din instalație este transferata de două ori – de la instalația de JT la sistemul de MT și de la sistemul de MT la condensatoarele de JT – cu două pierderi de putere, plătite de consumator.

Alte dezavantaje ale puterii reactive constau în necesitatea unei capacitați de transmisie și căderi de tensiune, care au loc și în interiorul întreprinderii, prin orice linie și în orice transformator, între sarcina capacitiva și instalația de compensare. Este mai bine sa se consume 100% din buget când 100% este în funcțiune, decât 75 % din buget când numai 50 % este în funcțiune.

În schemele descentralizate, totdeauna, sarcinile rezistiv-inductive – chiar și cele mici – sunt compensate prin integrarea unor condensatoare. Aceasta a condus la satisfacție deplina, de exemplu, în corpurile de iluminat cu una sau două lămpi fluorescente și balast magnetic.

Totuși descentralizarea are limitele sale în cazurile motoarelor asincrone cu compensare locala. Dacă condensatorul este plasat înaintea întreruptorului motorului, atunci acesta rămâne conectat dacă motorul este deconectat, determinând supracompensarea sistemului. Dacă condensatorul este plasat după întreruptorul motorului, el este deconectat odată cu motorul și apare riscul autoexcitației în mașina și accelerarea sa.

Tensiunea este generată chiar dacă echipamentul a fost izolat fata de rețea și pot rezulta supratensiuni în cazul în care condensatorul este prost dimensionat.

Puterea reactivă capacitiva este desigur avantajoasa și conduce la reducerea pierderilor, de exemplu prin excitarea generatoarelor asincrone ca la turbinele eoliene sau la grupurile cu cogenerare, atunci când acestea sunt conectate direct la rețea fără intermediul unui invertor.

Acesta rezultă absolut necesar în cazul în care aceste generatoare se considera ca alimentează o rețea insulara, în caz contrar acestea nu sunt pentru excitare, nici pentru controlul tensiunii și nici pentru alimentare, cât timp mașina este în funcțiune[4][17].

4.3 Dezacordarea bateriei de condensatoare

Dezacordarea se refera la practica conectării în serie cu fiecare condensator a unei bobine. Un motiv pentru dezacordare, reducerea curentului inițial, a fost deja menționat. Dar principalul motiv pentru dezacordare este recomandat la toți consumatorii care au instalații de compensare și la cei mai mulți furnizori – și pe care cei mai mulți consumatori l-au adoptat – este problema perturbațiilor de tensiune în rețeaua electrica. Sarcinile electronice moderne generează curenți armonici, determinând distorsiuni armonice și antrenând perturbații de înalta frecventa în rețeaua electrica. Deoarece reactanța unui condensator este invers proporționala cu frecventa, frecventele ridicate pot determina depășirea curentului de dimensionare al condensatorului. Acest lucru poate fi prevenit prin prezența unei bobine de dezacord. Puterea reactivă de dimensionare a bobinei de dezacord este în mod obișnuit de 5 %, 7 % sau 11 % din puterea reactivă a condensatorului pentru compensare. Aceste valori sunt numite „factor de dezexcitare”.

Când se vorbește despre dimensionare, sunt posibile confuzii importante privind puterea reactivă indicata pe placa de identificare a instalației de compensare. Se refera la tensiunea de dimensionarea a rețelei sau la tensiunea de dimensionare a condensatorului (care este mai mare) și dacă factorul de dezacordare este luat în calcul. În realitate, puterea reactivă declarata trebuie totdeauna sa se refere la unitatea compusa – condensator plus bobina de dezacordare – la tensiunea de alimentare și la frecventa fundamentala.

Deoarece reactanța bobinei creste proporțional cu frecventa, aceasta determină o reducere a capacitații la 50 Hz la un factor de dezacordare de 11% și cu 100% la frecventa de 150 Hz, înțelegând faptul ca reactanțele inductive și capacitive sunt egale (în rezonanta) și se anulează.

În acest fel, se asigura o opțiune pentru alegerea factorului de dezacordare ca o cale pentru „a absorbi” armonici determinante din rețeaua electrica, în timp ce caracteristicile de baza privind funcția de compensare rămân satisfăcătoare. În general, în scopul de a preveni supraîncărcarea condensatorului (și a bobinei) este preferabil sa se evite factorul de dezacordare care determina frecvente de rezonanta la una dintre frecventele predominante. Este de preferat ca factorul de dezacordare sa fie ales astfel încât combinația condensator-bobina sa reamâna inductiva pentru frecvente puțin mai mici fata de cea mai mică frecventa armonica ce apare. Rezonantele evitate în acest fel ar putea de altfel sa apară între condensator și alte elemente ale rețelei, în special cu inductivitatea de scaperi a celui mai apropiat transformator, fiind excitate de una sau alta dintre armonici. Este prezentat factorul de amplificare în funcție de frecventa.

Prin factor de amplificare se înțelege aici raportul dintre mărimile din regimul în care instalația este conectata și regimul în care aceasta lipsește.

Însa aceasta nu este singurul motiv pentru dezacordare. Condensatoarele actuale pot sa fie supraîncărcate de câtre frecventele ridicate omniprezente în rețea, frecvente mai mari decât cele corespunzătoare celor mai întâlnite armonici. Orice tensiune redusa de înalta frecventa, atât de mică încât nu poate fi observata de echipamentele de monitorizare de înalta exactitate ale analizoarelor de rețea, suprapusa peste tensiunea de rețea, poate determina un curent de înalta frecventa prin condensator (fig. 5.7).

Fig. 5.7 Lampa flourescenta de 11W fara compensare (stanga)

și cu compensare (dreapta)

În partea stânga este o lampa fluorescenta de 11 W funcționând cu balast magnetic, însa fără compensare. Dar cantitatea mare de putere reactivă necesita compensarea cu condensator. În partea dreapta, în circuitul lămpii (conexiunea serie a lămpii cu balastul și totul în paralel cu un condensator adecvat) rezulta un curent bizar, apropiat însa unei curbe sinusoidale. Mixtura adiționala de frecvente ridicate ar parcurge condensatorul atunci când nimic altceva nu ar fi în circuit. Măsurătorile confirma acest fapt. Deoarece curentul este aproape sinusoidal, în partea stânga, diferența între factorul de putere (numit factorul de sarcina LF- Load Factor) și cos. (numit factor de defazare) este redusa, pe când în partea dreapta este semnificativ. Motivul este că factorul de putere este raportul dintre puterea activă (la 50 Hz) și puterea aparentă, incluzând puterea reactivă fundamentală, puterile pe armonici și puterile de zgomot de fond, pe când vechiul cos.- factorul de defazare – include numai puterea reactivă fundamentala determinata de defazajul dintre curbe fundamentale de tensiune și curent electric.

Condensatorul este destinat sa producă puterea reactivă (stânga) însa este parcurs de curenții armonici (dreapta), dacă nu este dezacordat. Acesta este cel de al doilea motiv pentru care, în prezent, este larg utilizata practica dezacordării și rezulta importanta deosebita pentru durata de viata a condensatoarelor destinate sa funcționeze la 50 Hz. Experimentul poate fi repetat cu rezultate similare în aproape toate rețelele moderne. Simpla conectare a unui condensator la tensiunea de linie și înregistrarea curentului electric conduce, pretutindeni, la rezultate similare. Poate fi foarte bine evidențiat acest lucru dacă curentul printr-un condensator circula în apropierea unui difuzor dimensionat corespunzător. Zgomotele sunt de-a dreptul impresionante, deși trecerea la liniște și un zgomot numai de 50 Hz se poate face imediat dacă condensatorul este dezacordat cu o bobina.

Exemplul prezentat arata faptul ca practica compensării serie pentru lămpile fluorescente este complet avantajoasa și reprezintă o compensare capacitiva cu un factor de dezacordare de 50 %, iar aceasta se realizează cu o bobina care este necesara în orice caz și nu trebuie adăugata [5][15].

4.4 Condensatori pentru corectarea factorului de putere de joasă tensiune

Fig. 5.8 Condensatori pentru corectarea factorului de putere de joasa tensiune

5.4.1 Informații Tehnice Generale. Tehnologia MKP

Condensatorii sunt folosiți în multe și diverse aplicații. În aplicațiile de joasă tensiune, condensatorii de tip MKP (Fig. 5.9), care sunt executați cu tehnologia polipropilen metalizat au cel mai bun raport preț / calitate. Depinzând de tensiunea nominală a condensatorului, grosimea stratului de polipropilenă va fi diferită. MKP – (strat de polipropilenă metalizat).

Electrozi (metalizați)

Strat de polipropilenă

Contact electric

Margine nemetalizată

Fig. 5.9 Schema unui condensator de tip MKP

La sfârșitul duratei de funcționare sau datorită unor supraîncărcări electrice sau calorice neadmisibile, ar putea avea loc o defecțiune de izolație (Fig. 5.10). O defecțiune cauzează un mic arc electric, care vaporizează stratul de metal în jurul punctului defecțiunii restabilind izolația pe locul perforării. După defecțiunea electrică, condensatorul mai poate fi utilizat. Descreșterea capacității cauzată de un proces de autoregenerare este mai mică de 100 pF. Procesul de autoregenerare durează numai câteva microsecunde și energia necesară pentru regenerare poate fi măsurată numai cu ajutorul instrumentelor de precizie.

1. Electrozi (metalizați)

2. Strat de polipropilenă

3. Punctul defecțiunii

4. Suprafața izolantă neconductibilă

Fig. 5.10 Autoregenerarea defecțiunii

Pentru o autoregenerare dielectrică, impregnarea de bază nu este necesară. Cu toate acestea, condensatorii de tip MKP sunt impregnați pentru a elimina influențele mediului înconjurător, garantarea funcționării pe termen lung. Impregnarea în vid elimină aerul și umezeala, îmbunătățind “autoregenerarea” și reducând punctele de încălzire.

Condensatorii ESTAprop de tip MKP sunt impregnați cu un ulei tratat special. Acest ulei izolant, pe bază de vegetale, rezistent la foc (punct de inflamabilitate 2850 C, punct de aprindere 3150 C, este complet biodegradabil și nu este toxic. Acesta tehnologie permite înlăturarea nepericuloasă a condensatorilor ca deșeuri.

După o perioadă de uscare, impregnarea (cu completarea carcasei condensatorului cu ulei) este realizată în vid sub o înaltă concentrare a umezelii la elementele active. După acest proces, condensatorul va fi sigilat ermetic. Acest proces asigură o excelentă eliminare de căldură și o capacitate constantă pe toată durata de funcționare.

Condensatorii ESTAdry de tip MKP sunt “uscați”. Aceasta uscare este obținută după o perioadă îndelungată de uscare, înainte de închiderea ermetică a casetei, se utilizează un agent de umplere nelichid în locul uleiului natural. În cazul carcaselor tubulare, există un gaz de umplere inert, nedăunător mediului înconjurător, folosit pentru a evita coroziunea elementelor înfășurate și a contactelor electrice interne. Pentru o gamă largă de condensatori uscați, agentul de umplere este o rășină. Diferența dintre cele două tipuri este semnalată de litera “g” astfel: cel impregnat cu ulei va avea notația (PhMKP), în timp ce versiunea uscată va avea notația (PhMKPg).

Ambele variante rezistă la temperatură înaltă, clasa D, specificată de standarde. Versiunea impregnată cu ulei are din construcție o limită de siguranță mai mare.

Pentru condensatorii ESTAprop de tip MKP sunt utilizați electrozi metalizați. Un element înfășurat constă din două pelicule de polipropilenă, înfășurate împreună (Fig. 5.11). Suprafața din față a elementelor înfășurate este conectată cu ajutorul unui proces de acoperire metalică. Datorită deplasamentului celor două pelicule de polipropilenă, numai una va fi conectată electric pe o parte a elementului. Legăturile terminale pot fi sudate pe această suprafață de metal pulverizat.

Fig. 5.11 Elementul înfășurat cu acoperire metalizată și benzile de conectare sudate

La sfârșitul duratei de funcționare sau accidental, datorită supraîncărcării electrice sau termice, se creează o supratensiune, care cauzează o expansiune a carcasei condensatorului (Fig. 5.13). Expansiunea peste o limită oarecare cauzează ruperea siguranței interne. Elementele active ale condensatorului sunt deconectate de la sursa de alimentare. Presiunea din interiorul carcasei provoacă ruperea atât de rapid încât nu poate avea loc un accident dăunător.

Fig. 5.12 Stare normală de lucru Fig. 5.13 Stare de avarie, cu rupere

Marcarea condensatorilor de putere

Condensatoarele de joasă tensiune ESTAprop și ESTAdry sunt construite în conformitate cu următoarele reglementări europene:

89/336/EWG – compatibilitate electromagnetică

92/31/ EWG – compatibilitate electromagnetică

93/68/EWG – directivă de modificare a directivei 89/336/EWG

Toți condensatorii pentru corectarea factorului de putere de tensiune joasă de tip ESTAprop și ESTAdry sunt marcați cu CE.

Condensatorii ESTAprop de tip cilindric au fost testați și aprobați în laboratoare independente cum ar fi Laboratoarele asigurătorilor (UL). Condensatorii ESTAprop de joasă tensiune, sunt construiți în conformitate cu standardul UL 810 și standardul Canadian C 22.2. Mărcile UL și ULc sunt incluse în standardul de marcare de componente [28][32].

Datele tehnice ale condensatorilor in carcasa cilindrica de aluminiu sunt date in anexa 4.

4.5 Regulator autoprogramabil tip PFC

Regulatorul pentru compensarea factorului de putere este proiectat astfel încât să realizeze o măsurare corectă a mărimilor electrice și să poată vizualiza prin caractere alfa-numerice mărimea electrică măsurată. Utilizând tehnici digitale de filtrare a semnalelor, acesta poate separa de celelalte componente armonice componentele sinusoidale ale tensiunii și curentului, pe care este măsurată defazarea.

Măsurarea curentului de linie se face printr-un transformator de curent (TC montat pe faza R) conectat la bornele l și k iar tensiunea de linie direct pe fazele rămase (S și T).

Comanda treptelor bateriilor de condensatoare se face prin contactele de comanda ND care sunt 6 sau 12 in functie de modelul constructiv.

Regulatorul mai este prevazut și cu un contact independent pentru alarma.

Regulatoarele au următoarele caracteristici principale:

afișează continuu valoarea cos ;

contorizează numărul de comutări pe fiecare treapta;

permite alegerea unui factor de putere intre 0,85 inductiv -1-0,95 capacitiv, in trepte de 0,01.

Fig. 5.14 Regulator autoprogramabil tip PFC

Schema de conectare a regulatorului este data in anexa 5

4.5.1 Generalități:

ESTAmat PFC – utilizare și folosire:

ESTAmat PFC poate fi utilizat oriunde este necesara o reglare automata a factorului de putere. Toate funcțiile ESTAmat PFC sunt comandate de un microprocesor. Un dispozitiv de protecție (câine de paza) supraveghează tot timpul procesul, pentru ca acesta sa funcționeze ireproșabil. Nu exista funcții interne de timp sau data calendaristica.

Mărimile de măsura curent și tensiune intra printr-un filtru cu banda de trecere 50/60Mz. Astfel armonicele prezente in rețea nu au influenta asupra măsurii. Ambele intrări de măsură sunt fără potențial. Tensiunea de măsura trebuie sa se afle in domeniul 58V – 690V și poate fi conectata, la alegere, intre faza și conductorul de nul sau intre faza și faza. Domeniul de curent se situează intre 0 și 5A. Nu este necesara o diferențiere intre transformatorul de curent X/1A sau X/5A.

Un ciclu de măsura durează 5,5 secunde și include sesizarea valorilor de măsura, calculul tuturor valorilor caracteristice necesare, cum ar fi factorul de putere, curentul, curentul armonic, s.a.m.d. și, dacă este necesar, pregătirea pentru anumite acțiuni, de ex: comutarea de trepte, semnalizări de alarma, s.a.m.d.

ESTAmat PFC poate sa determine singur la punerea in funcțiune, prin intermediul comutărilor de proba, amplasarea transformatorului de curent și mărimea treptelor de condensatoare conectate.

Sunt posibile trei tipuri de inițializare:

Inițializarea complet automata AU 1

– ESTAmat PFC determina amplasarea transformatorului de curent, puterea și numărul treptelor de condensatoare și programul de comutare.

Inițializarea semiautomata AU 2

– ESTAmat PFC determina puterea și numărul treptelor de condensatoare și programul de comutare după ce i se prescrie amplasarea transformatorului de curent.

Inițializarea manuala AU 3

– Amplasarea transformatorului de curent, puterea și numărul treptelor de condensatoare și programul de comutare trebuie sa fie programate de câtre utilizator.

Valoarea C/k este valoarea de răspuns a regulatorului de putere reactivă ESTAmat PFC. Valoarea reprezintă pragul de răspuns al regulatorului exprimat in Ar (amper reactiv).

Dacă componenta de curent reactiv a sarcinii depășește valoarea C/K programata, atunci aceasta va fi semnalizata de una dintre cele două diode luminoase pentru tendința reglării (‘’ind’’ sau ‘’cap’’).

La comutarea in cerc condensatoarele care au fost cuplate primele sunt cele care vor fi și decuplate primele. Comutarea se face după principiul FIFO: First-IN–First–OUT (primul pornit primul oprit). Dacă cuplarea se face in succesiunea 1 – 2 – 3 – 4 –5 atunci condensatoarele vor fi decuplate in aceeași succesiune 1 – 2 – 3 – 4 – 5.

Comutarea in cerc împarte in mod egal solicitarea asupra tuturor elementelor componente ale instalației, cum ar fi contactoare și condensatoare. Un alt avantaj consta in faptul ca o treapta de condensatoare, odată declanșata, are destul timp pentru descărcare sa până la recuplare.

Avantajele amplasării in cerc sunt de asemeni valabile și pentru așa numitul program de comutare pendular: dacă de ex, secvența de reglare utilizata este 1:2:2:2:2:2, atunci treptele cu mărime dubla vor fi in orice caz condensate după principiul comutării in cerc. treapta de mărimea 1 va fi utilizata in final ca treapta finala. La programele cu trepte de pendulare dubla de ex: 1:1:2:2:4, vor fi de asemeni comutate alternativ treptele de pendulare de mărime egala (1:1 respectiv 2:2) [14][29].

4.5.2 Performanțe de comutare optimizate

ESTAmat PFC măsoară permanent cerințele de putere reactivă, respectiv modificările necesarului de putere reactivă, și comuta datorita performantelor de comutare optimizata, treapta de condensatoare cea mai mare posibil. La o instalare de reglaje de ex, 25:25:50:50:50 kvar și la un necesar de putere reactivă de cel puțin 50 kvar se va anclanșa imediat o treapta de 50 kvar fără a se mai trece prin treptele de 25 kvar. Astfel se reduce numărul comutărilor și se mărește durata de viata a condensatoarelor și contactoarelor.

Utilizarea crescândă a unor surse de energie regenerabile (ca de ex: puterea vântului, energia solara, biogazul, etc.) și regenerare termică, dar și utilizarea de alimentari electrice de avarie, impune ca regulatoarele moderne de putere reactivă sa aibă o funcționare ireproșabila la generarea de putere activa in reteaua generala de alimentare (funcționarea ca generator). ESTAmat PFC poate sa sesizeze și sa compenseze puterea reactivă inductiva atât la consumul de energie cat și la generarea de energie înapoi.

Perioada de timp ce începe cu aprinderea uneia din diodele luminoase pentru tendința de reglare (‘’ind’’, ‘’cap’’) și durează până la comutarea treptelor de condensatoare se numește durata de comutare. Durata de comutare poate fi determinata de ESTAmat PFC in funcție de sarcina sau poate fi prescrisa de câtre utilizator.

Perioada de timp de la declanșarea unei trepte și până la cea mai devreme posibila reanclanșare se definește ca durata de blocare a reanclanșării. La ESTAmat PFC aceasta durata de blocare a reanclanșării se ridica la 20, 60, 180 sau 300 de secunde.

Acest timp este necesar pentru ca, după declanșare, tensiunea prezentă în condensator sa se reducă la un nivel acceptabil . Durata de blocare a reanclanșării se alege in funcție de dispozitivul de descărcare existent. Reanclanșarea este admisă numai atunci când tensiunea rămasă este mai mică decât 10% din tensiunea de lucru.

Cu ajutorul Analizei FFT (transformarea Furier rapida), ESTAmat PFC poate sa determine curenții armonici ai armonicelor 3, 5, 7, 11, 13 și 19. Reprezentarea se face in procente din curentul fundamentalului. Se afișează pe regulator valorile procentuale până la armonica 17. Dacă exista echipamente ce produc armonici iar frecventa de rezonanta dintre instalația de compensare și transformatorul de rețea se suprapune peste o frecventa de armonica tipica, atunci partea procentuala a acesteia creste peste valoarea obișnuita și cu ajutorul a diverse profire de valori limita se poate activa prin acestea o funcție de alarma. Aceasta poate sa fie de exemplu o avertizare prin releu de alarma sau o semnalizare optica.

Curentul efectiv se determină prin calculul din forma de undă a curentului.

Consumatorii neliniari deformează sinusoida curentului. Curentul fundamentalei și curentul efectiv au valori diferite in cadrul prezentei armonicelor. Cu cat este mai înalta componenta armonicelor cu atât mai mare este abaterea curent fundamentala – valoare efectiva. Un factor care este format din aceste două valori prezintă o dimensionare a situației armonicelor și poate fi utilizat pentru funcția alarma cu ajutorul unor valori limita reglabile.

ESTAmat PFC poate sesiza permanent temperatura ambianta prin intermediul senzorului intern de temperatura. Cu toate ca senzorul este amplasat in interiorul aparatului, aceasta sesizare prin orificiile prevăzute pentru aerisire se poate efectua cu destula precizie pentru circulația aerului aferenta.

În cazul montajului intr-un dulap de comutație, apare prin acesta posibilitatea sa se supravegheze temperatura interna a dulapului. O funcție de alarmă poate fi activa prin intermediul unor limite reglabile.

Alegerea și amplasarea transformatoarelor de curent:

Mărimea transformatoarelor de curent se stabilește prin consumul total de curent al utilizatorului ce trebuie compensat. Intrarea de curent a regulatorului ESTAmat este echipata pentru transformator de curent la alegere, de 5 A sau 1 A cu 5 VA, clasa I.

Transformatorul de curent trebuie sa sesizeze întregul consum de curent, inclusiv cel al instalației de reglare cu condensatori, adică el trebuie sa fie amplasat după contorul de tarifare sau după racordul de alimentare al utilizatorului sau al unei parți al acestuia pentru cazul utilizatorilor. Dacă fazele sunt neechilibrat încărcate, atunci transformatorul trebuie montat pe faza cea mai încărcata.

În cazul unor distanțe mari intre transformatorul de curent și regulator, trebuie avuta in vedere o secțiune corespunzătoare de cablu și/sau o putere corespunzătoare a transformatorului.

Transformatorul de curent sumator:

La alimentarea de la mai mulți transformatori pe o bară de joasă tensiune trebuie sa fie măsurați curenții transformatoarelor cu transformatoare de curent și apoi adunați intr-un transformator sumator de curent (Fig. 5.15).

Fig. 5.15 Transformatorul de curent sumator

În acest montaj trebuie neapărat respectata polaritatea corectă, deoarece altfel curenții de la cele două transformatoare de măsura se scad intre ei.

Este de remarcat totuși ca raporturile de conversie ale celor două transformatoare de curent trebuie adunate.

K = Σ raporturilor de transformare ale T.C.

K = k1 + k2 + k3 …

Funcționarea in paralel:

Dacă două porțiuni ale rețelei, fiecare prevăzuta cu propria sa instalație independenta de reglare, sunt cuplate împreuna, atunci cele două regulatoare se influențează, deoarece curenții se împart prin ambele transformatoare (Fig. 5.16).

Fig. 5.16 Funcționarea in paralel

Pentru ca prin acesta sa nu apăra nici o oscilare la ambele regulatoare, este necesar ca valorile C / K sa fie programate diferit.

Se ajunge la așa numita comportare ‘’conducător – urmăritor ‘’, deoarece cele două regulatoare reacționează diferit ca rapiditate. Regulatorul cu valoare C / K mai redusa comuta mai rapid decât cel cu valoare mai înalta.

Valorile cosφ de referința ale celor două regulatoare trebuie sa fie egale. Astfel, regulatorul cu prescriere mai ridicata va încerca sa declanșeze trepte, in timp ce cel cu valoare mai scăzuta va declanșa imediat treptele. Astfel se va ajunge inevitabil la oscilații nedorite intre ancrasare și declanșare.

ESTAmat PFC este echipat cu o interfața seriala RS 232. Cu ajutorul unui PC pot fi accesate toate valorile de măsura și datele de reglare. De asemeni toți parametrii de reglare pot fi modificați prin PC. Software-ul pentru PC și cablul de legătura ESTAmat PFC –PC pot fi obținute la cerere [16][30].

Instrucțiunile de exploatare ale ESTAmat PFC sunt date in Anexa 6, iar datele tehnice in anexa 7.

5. Schema de comandă automată realizată

Fig. 5.17 Schema instalației automate de compensare cu patru trepte

Funcționarea schemei

Bateria de compensare a factorului de putere realizată la partea practică a acestui proiect are patru trepte de condensatori a cate 2.5 KVAr fiecare.

Comanda automată a comutarii treptelor se face cu regulatorul automat MH6 (șase trepte), Fig. 5.17. Acesta măsoară parametrii instalației: tensiune, curent, cos și în funcție de valorile acestora comandă contactorii capacitivi (K1, K2, K3, K4) care introduc sau scot din circuit treptele de condensatoare (C1, C2, C3, C4).

Siguranțele folosite în amonte trebuie sa fie de tipul NH cu caracteristica lentă, adică tipul gL. Siguranțele NH servesc numai pentru protecție la scurtcircuit și nu sunt corespunzătoare pentru protecție la suprasarcina.

Partea de comanda a montajului este protejata la scurtcircuit de catre o siguranța automata de 10A cu puterea de rupere de 4,5 kA.

Pentru instalațiile de reglare cu condensatori, nefiltrate, se folosesc numai contactoare specializate cu amortizarea curentului de cuplare. Aceasta trebuie neapărat avut in vedere la procurarea pieselor de schimb.

Aceste contactoare specializate pentru condensatori sunt echipate cu rezistente de amortizare, astfel încât sa reducă vârfurile de curent la cuplare de la valori de 200xIC la valori mai mici de 70xIC, conform indicațiilor din prospecte.

Gama de contactoare produsa de Moller este oferita pentru treptele de: 12,5 kVar, 20 kVar, 25 kVar, 33 kVar și 50 kVar.

Condensatorii sunt fabricați conform normelor europene in vigoare. Construcția in tehnica MKP (film polipropilenic metalizat) și cu impregnare fără PCB cu regenerare și cu pierderi deosebit de reduse ( 0,25 W/kVar).

Datorita încălzirii proprii reduse și greutății reduse, condensatorii MKP sunt deosebit de potriviți pentru montajul in dulapuri de distribuție, unde este foarte important sa se asigure intre condensatori temperatura aerului K600C.

Durata de viata a condensatorilor este mai mare de 100.000 ore de funcționare. Gama de condensatori oferita de firma FRAKO Germania este de la 2,5 kVAr la 25 kVAr monofazați sau trifazați, pentru tensiuni cuprinse intre 400V 660V.

Pentru fiecare condensator de putere este necesara o rezistenta de descărcare care asigura in decurs de maxim 3 minute, o descărcare la o tensiune mai mică de 75 V. Intre condensatorii de putere și rezistentele de descărcare nu pot fi prevăzute nici întrerupătoare, nici siguranțe și nici alte dispozitive de separare. Rezistentele de descărcare utilizate de către ESTA asigura o descărcare sigura la mai puțin de 75 V in decurs de 1 minut.

Liniile de conectare trebuie sa aibă o secțiune care sa asigure ca acestea pot suporta continuu un curent de 1,3 ori mai mare decât curentul care ar circula in valoare eficace la tensiunea sinusoidala nominala și frecventa nominala. Alte creșteri ale valorii de curent, care se mențin până la +10 % pe baza tolerantelor de fabricație uzuale rețelei, nu este necesar sa fie luate in considerare la instalațiile de reglare automate.

Mărimea transformatorului de curent se stabilește prin consumul total de curent al utilizatorului ce trebuie compensat. Intrarea de curent a regulatorului ESTAmat este echipata pentru transformator de curent la alegere, de 5A sau 1A cu 5VA, clasa I. La realizarea practică a acestei lucrari am folosit un transformator de curent de 50/5A , deoarece acesta are cel mai mic raport de transformare.

Transformatorul de curent trebuie sa sesizeze întregul consum de curent, inclusiv cel al instalației de reglare cu condensatori, el trebuie sa fie amplasat după contorul de tarifare sau după racordul de alimentare al utilizatorului sau al unei parți al acestuia pentru cazul utilizatorilor. Dacă fazele sunt neechilibrat încărcate, atunci transformatorul trebuie montat pe faza cea mai încărcata.

In cazul unor distanțe mari intre transformatorul de curent și regulator, trebuie avuta in vedere o secțiune corespunzătoare de cablu și/sau o putere corespunzătoare a transformatorului.

La utilizarea unui regulator automat de tipul ESTAmat este important ca faza pe care este montat transformatorul de curent și faza de pe care se preia tensiunea de măsura sa fie aceeași.

Raportul de conversie al transformatorului de curent trebuie sa corespunda consumului real de curent. In cazul unui transformator de curent supradimensionat, regulatorul de putere reactivă primește un semnal de măsura prea mic și semnalizează sub forma de deranjament “Cădere de curent”. In acest caz el reglează inexact sau nu reglează deloc. Aceasta este desigur valabil și pentru un transformator de curent ales prea mic.

La o întrerupere a tensiunii 10 ms se decuplează toate treptele de condensatori care erau cuplate. După reapariția tensiunii de alimentare regulatorul începe, funcție de modul de inițializare “S”, direct cu comutarea in trepte.

Comutările neobișnuit de dese la funcționare la sarcina redusa, sau chiar la sarcina normala, pot fi corectate prin modificarea factorului de timp de comutare la regulatorul de putere reactivă.

După punerea in funcțiune, regulatorul iși determina singur, prin diverse comutări de proba, modul de conectare adică poziția de montaj a transformatorului și secvența de reglare, inclusiv treptele de condensatori racordate.

Atunci când dispare tensiunea de alimentare sau nu se realizează compensarea, se închide un contact liber de potențial al unui releu de alarma.

Deranjamentul “subcompensare” se activează atunci când cos impus programat nu se atinge deloc timp de o ora și, totodată, cos măsurat este <0,9 ind. (cos impus trebuie sa fie >0,9).

Condensatorii ESTA PhMKP poseda un dielectric cu auto-regenerare. Dacă datorita suprasarcinii (de exemplu supratensiune) se ajunge la o străpungere, atunci înfășurarea se regenerează. Pe langa aceasta fiecare condensator in parte poseda ca măsura de siguranța suplimentara o protecție interna de întrerupere, cu funcționare sigura care acționează la suprapresiune.

Dacă, datorita suprasarcinii de tensiune, curent sau temperatura, efectul de auto-regenerare nu reușește, atunci capacul paharului acționează ca o membrana de supra-presiune, umflându-se in sus și întrerupând astfel conductorul de legătura interior către elementele de înfășurare. Cu aceasta, condensatorul defect se separa singur de rețea.

Protecțiile interne nu pot totuși înlocui masurile de protecție externa, ca de exemplu siguranțele fuzibile conectate in amonte pentru scurtcircuit.

Pentru control, se pot citi, pe regulatorul de compensare a puterii reactive ESTAmat, curenții treptelor pe partea secundara a transformatorului de curent sau se pot măsura direct, pe fiecare faza, cu un clește ampermetric.

Contactoarele specializate utilizate pentru condensatori sunt concepute pentru 100.000 comutări. Numărul de comutări efectuat, pe fiecare treapta poate fi citit de regulatorul ESTAmat.

Anexa 3 contine tabelul 4 unde sunt date secțiunile de racordare și dimensionarea siguranțelor pentru instalații de compensare a curentului reactiv, respectiv pentru compensări fixe.

Bibliografie:

Balaurescu, D., 1981, Îmbunătățirea factorului de putere, Editura tehnică, București;

Alexandru Fansua și Razvan Magureanu, 1986, Mașini și acționări electrice – Elemente de execuție, Editura Tehnică, București;

Horia Gavrila, 1986, Electrotehnică și echipamente electrice – Vol. 2 Editura Tehnică, București;

Arie, 1994, Poluarea cu armonici a sistemelor electroenergetice functionand in regim permanent simetric, ED Academiei Romane, Bucuresti;

M. Chindris, A. Sudria, 1998, Poluarea armonica a retelelor electrice industriale, Ed. Mediamira Cluj-Napoca;

M. Ungureanu, M. Chindris, I. Lungu, 1998, Utilizarea energiei electrice, EDP

Iordănescu, I., Iacobescu, Gh., ș.a. , 1985 – Rețele electrice pentru alimentarea întreprinderilor industriale. Editura Tehnică, București;

Iacobescu, Gh., Iordănescu, I., ș.a., 1981– Rețele electrice. Editura Didactică și Pedagogică, București;

Iacobescu, Gh., Iordănescu, I., Tudose, M. , 1979 – Rețele și sisteme electrice. Editura Didactică și Pedagogică, București;

Golovanov, N. , 1983 – Utilizarea energiei electrice și mari consumatori. Litografia IPB, București;

Golovanov, N., Șora, I. ș.a. , 1997 – Electrotermie și electrotehnologii. (Vol.1 și 2) Editura Tehnică, București;

Popescu, C.N., C. Radoi, A. Florescu, 2000: Îmbunatatirea factorului de putere pentru redresoare, Revista Electronica, Electrotehnica, Automatica;

Morancea, S., Instalații electrice industriale, 2004, Editura Corvin, Deva;

Petrescu, Gh. Ș.a., Manualul inginerului electrician, 1957, Editura Tehnică, București;

Comsa, D., Proiectarea instalațiilor electrice industriale, 1983, E.D.P., București;

VAREL, 2004 – Automatic power factor improvement equipment;

LEESON Electric Corp.-Kevin Heinecke-Single-phase Electric Motors – Characteristics & Applications

http://www.iprocessmart.com/leeson/leeson_reference_articles.htm

http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/AC/

J. B. Calvert – Electrical Machinery

http://www.du.edu/~jcalvert/tech/techhom.htm#elec

Douglas Wright – Squirrel cage motors

http://www.mech.uwa.edu.au/DANotes/motors/steady/steady.html#top

***. AC Machine Fundamentals

http://www.mech.uq.edu.au/subjects/e4360/chap10/s0.htm

Lincoln Motors Inc. ***. Fundamentals in Polyphase Electric Motors

www.lincolnmotors.com/pdf/d-funds.pdf

Akaki, H.: New tends in Active Filters for Power Conditioning. În: IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No. 6.

Mohan, N., M.T. Underland, P.W. Robbins: Power Electronics. / Converters, Applications and Design, John Willey & Sons, 1989.

Rastogi, M., R. Naik, N. Mohan: A Comparative Evaluation of harmonic Reduction Techniques in Three-Phase Utility Interface of Power Electronics Loads. În: IEEE Transactoins on Industry Applications, Vol. 30, No. 5.

www.moeller.ro

www.sier.ro

www.eurocopper.org

www.imsatint.ro

www.vishay.com

www.vishay-esta.de

www.pfc-engineering.com

www.frako.de