Studiul Privind Perturbatiile In Cazuri Reprezentative

Cuprins

CUPRINS

Studiul literaturii de specialitate

1. Detectarea și filtrarea armonicilor

2. Principalele efecte ale armonicilor în instalații

3. Compensarea energiei reactive

Studiu de caz

Prezentarea instalației folosite

1. Panou de control

2. Parte operativă

Studiul privind perturbații în cazuri reprezentative

1. O lampă cu halogen cu o putere de 500W

2. O lampă cu halogen cu o putere de 500W și inductanța L20 = 175mH

3. Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 500W

4. Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 500W și inductanța L20 = 175mH

5. Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 1,5kW

Prezentarea platformei de laborator propuse

Concluzii

Bibliografie

CAPITOLUL I

Studiul literaturii de specialitate

Detectarea și filtrarea armonicilor

Definirea armonicelor și a originii lor

Distorsiunea unui semnal sinusoidal

Teorema lui Fourier afirmă că toate funcțiile periodice nesinusoidale pot fi reprezentate că o sumă de termeni alcătuită din:

Un termen sinusoidal la frecvență fundamentală;

Mai mulți termini sinusoidali ale căror frecvențe sunt multipli ai frecvenței fundamentale;

O componentă de curent continuu, acolo unde este aplicată.

Ecuația pentru desfășurarea armonicii n a unei funcții periodice:

y(t) = Yo +

Unde:

Yo este valoarea componentei de curent continuu, în cele mai multe cazuri având valoarea 0;

Yn este valoarea efectiva RMS a armonicei n;

ω reprezintă frecvența unghiulară a frecvenței fundamentale;

φn reprezintă deplasarea componentei armonicii la t=0.

Exemple de semnale (forme de undă ale curentului si tensiunii) ale sistemului electric de distribuție român:

valoarea frecvenței primei armonici este de 50 Hz (valoare fundamentală);

a doua armonică are frecvența de 100 Hz;

a treia armonică are frecvența de 150 Hz;

a patra armonică are frecvența de 200 Hz;

a cincea armonică are frecvența de 250 Hz;

a șaptea armonică are frecvența de 350 Hz;

a noua armonică are frecvența de 450 Hz.

Un semnal distorsionat este suma unor armonici suprapuse.

Figura de mai jos exemplifică efectul armonicilor asupra unei unde de curent:

Fig. 1.1: Exemplu de curent ce conține armonici

Reprezentarea armonicilor: spectrul de frecvențe

Spectrul de frecvențe este un grafic practic ce ajută la reprezentarea armonicilor conținute de un semnal periodic. Acesta indică armonicile prezente, importanța lor și amplitudinile fiecăreia în parte, utilizând o reprezentare spectrală.

În figura de mai jos este prezentat spectrul de armonici ale semnaluli din Fig. 1.1

Fig. 1.2: Spectrul de armonici al unui semnal care cuprinde fundamentala și armonicile de ordin 3(150Hz), 5(250Hz), 7(350Hz), 9(450Hz).

Originea armonicilor

Dispozitive care creează armonici sunt prezente în toate instalațiile industriale, comerciale și rezidențiale. Armonicile sunt create de sarcini neliniare.

Sarcinile sunt considerate a fi neliniare în momentul în care curentul absorbit nu are aceeași formă de undă ca tensiunea de alimentare. Un exemplu de astfel de sarcini sunt electronicele de putere. Acest tip de sarcini sunt din ce în ce mai întâlnite, iar procentul energiei consumate are o creștere constantă.

Mai multe exemple de echipamente considerate sarcini neliniare:

Echipamente industriale: aparate de sudură, cuptoare cu arc electric, redresoare;

Dispozitive de reglare a vitezei pentru motoarele asincrone si pentru cele de curent continuu;

Echipamente de birou: calculatoare personale, imprimante, faxuri, etc.;

Aparate de uz caznic: televizoare, cuptoare cu microunde, etc.;

UPS-uri.

Perturbații create de sarcinile neliniare și armonicile de tensiune

Alimentarea sarcinilor neliniare cauzează circulația armonicilor de curent în sistemul de distribuție.

Armonicile de tensiune apar ca o consecință a circulației armonicilor de curent prin impedanțele circuitului de alimentare ( exemplu: transformatorul).

Fig.1.3: Diagrama ce arată impedanța circuitului de alimentare pentru o armonică de ordin h[3]

Armonica de curent de ordin h crează prin intermediul impedanței Zh o armonică de tensiune Uh. Aplicând teorema lui Ohm rezultă Uh = Zh * Ih. Ca urmare, tensiunea din punctual B este deformată, iar toate dispozitivele conectate în aval de punctual B vor primii o tensiune deformată. Nivelul de deformare crește odată cu impedanța sistemului de distribuție.

Circulația armonicilor în sistemul de distribuție

Pentru o mai bună înțelegere a armonicilor de curent se poate considera că sarcinile neliniare reinjecteaza armonici de curent înapoi în sistemul de distribuție, în direcția sursei.

Fig.1.4.a: Diagrama unei instalații ce alimentează o sarcină neliniară, arătând doar armonica fundamentală (50 Hz) [3]

Fig.1.4.b: Diagrama unei instalații ce alimentează o sarcină neliniară, arătând cazul armonicii de ordin h [3]

Vh = armonica de tensiune

Vh = Zh * Ih

Ambele figuri de mai sus prezintă instalații în care există perturbații cauzate de armonici. În figură 1.4.a este evidențiată circulația fundamentalei de curent (50Hz), iar în figură 1.4.b, circulația armonicii de ordin h.

Utilizând încă o dată modelul sarcinilor neliniare care injectează armonici de curent înapoi în sistemul de distribuție, am putut reprezenta graphic acest fenomen.

Fig.1.5: Circulația armonicilor de curent în sistemul de distribuție [3]

Necesitatea detectării și eliminării armonicelor

Perturbații cauzate de armonici

În sistemul de distribuție, circulația armonicilor reduce calitatea energiei și creează un număr de probleme:

Apar suprasarcini în sistemul de distribuție datorită creșterii valorii efective a curentului;

Apar suprasarcini pe conductoare datorate armonicilor de ordin 3 create de sarcinile monofazate;

Apar suprasarcini, vibrații și îmbătrânirea prematură a generatoarelor, transformatoarelor, motoarelor, etc.;

Supraîncărcarea și îmbătrânirea prematură a bateriilor de condensatoare folosite la corectarea factorului de putere;

Perturbații ale tensiunii de alimentare, capabile să afecteze sarcinile mai sensibile;

Perturbații ale rețelelor de comunicare cum ar fi liniile de telefon.

Impactul economic al perturbațiilor cauzate de apariția armonicilor

Apariția armonicilor are un impact economic semnificativ:

Îmbătrânirea prematură a echipamentelor care rezultă în schimbarea lor mai devreme de termenul inițial stabilit;

Apariția suprasarcinilor în sistemul de distribuție ce cauzează pierderi suplimentare;

Perturbații ale curentului ce cauzează probleme echipamentelor, chiar și oprirea acestora.

Armonicile care trebuiesc măsurate și eliminate:

Cele mai frecvent întâlnite armonici, și prin urmare cele mai dăunătoare, într-un sistem trifazat sunt cele de ordin impar (3, 5, 7 etc.). Armonicile de curent cu ordin mai mare de 50 sunt neglijabile, iar măsurarea acestora nu mai este necesară. O acuratețe suficientă a măsurătorilor se obține dacă sunt luate în calcul armonicile până la cele de ordin 30.

În serviciile publice de electricitate sunt monitorizate armonicile de ordin 3, 5, 7, 11 și 13. De obicei, tratarea acestor armonici este suficientă pentru remedierea problemelor, dar mai există anumite condiții în care este necesară tratarea armonicilor până la ordinul 25.

Principalele efecte ale armonicilor în instalații

Rezonanța

Utilizarea simultană atât a unei sarcini inductive cât și a uneia capacitive într-o rețea electrică determină apariția fenomenului de rezonanță caracterizat prin valori foarte mari sau foarte mici ale impedanței. Aceste variații ale impedanței cauzează modificări ale curentului și tensiunii din rețea.

Cel mai des întâlnit fenomen de rezonanță este cel paralel. Acesta va fi studiat mai jos.

Considerăm următoarea diagramă simplificată (Fig.1.6) ce reprezintă o instalație alcătuită din următoarele componente:

Un transformator de alimentare;

Sarcini liniare;

Sarcini neliniare care genereaza curenti armonici;

O baterie de condensatoare pentru corectarea factorului de putere.

Fig. 1.6: Diagrama simplificata a unei instalații [3]

Pentru studierea armonicilor se utilizează diagrama echivalentă (Fig.1.7).

Fig. 1.7: Diagrama echivalentă a rețelei [3]

Ls – inductanța alimentării (linie + transformator + rețeaua din amonte);

C – capacitanța bateriei de condensatoare;

R – rezistența sarcinilor liniare;

Ih – curentul armonic.

Dacă se neglijează R, impedanța va avea următoarea formulă:

Fenomenul de rezonanță se manifestă în momentul în care numitorul ecuației de mai sus tinde către 0. Frecvența corespunzătoare se mai numește și frecvență de rezonanță a circuitului. La această frecvență, impedanța atinge valoarea maximă. Acest lucru conduce la apariția armonicilor de tensiune și prin urmare la distorsiuni majore ale undei de tensiune. Aceste distorsiuni sunt însoțite în circuitul Ls+C de o circulație de curenți armonici mai mare decât circuatia normală cerută de sarcini. [3]

Sistemul de distribuție și bateria de condensatoare destinate corectării factorului de putere sunt supuse unor curenți armonici mari care pot avea ca rezultat fenomenul de suprasarcină. Pentru evitarea apariției fenomenului de rezonanță se instalează în circuit bobine antiarmonici în serie cu bateriile de condensatoare.

Creșterea pierderilor

Puterea activă transmisă unei sarcini depinde de componenta fundamentală a curentului. În momentul în care curentul solicitat de o sarcină conține armonici, valoarea efectivă a curentului este mai mare decât componența sa fundamentală.

Factorul de distorsiune THD se definește astfel:

Din relația de mai sus se poate deduce:

Urmatorul grafic (Fig.1.8) prezinta în funcție de distorsiunea armonică următoarele:

Creșterea curentului efectiv pentru o sarcină care solicită un curent fundamental dat;

Creșterea pierderilor Joule fără să se țină cont de efectul superficial.

Punctul de referință pentru curentul efectiv și pentru pierderile Joule în cazul în care nu există armonici este 1.

Fig. 1.8: Creșterea curentului efectiv și a pierderilor Joule în funcție de THD [3]

Curenții armonici provoacă o creștere a pierderilor Joule prin toate conductoarele prin care circulă. De asemenea cresc și temperaturile prin transformatoare, întreruptoare, cabluri etc.

Pierderile în mașinile asincrone.

Odată aplicate unei mașini asincrone, armonicile de tensiune provoacă trecerea curenților cu frecvență mai mare de 50 Hz prin rotor. Acești curenți cauzează pierderi suplimentare.

Pierderile în transformatoare.

Curenții armonici care circulă prin transformatoare cauzează creșterea pierderilor datorită efectului Joule și a curenților turbionari. În același timp, armonicile de tensiune provoacă pierderi în fier datorită fenomenului de histerezis. În transformatoarele utilizate în distribuția publică unde distorsiunile sunt limitate, pierderile pot crește între 10% și 15 %.

Pierderile în condensatoare.

Armonicile de tensiune aplicate condensatoarelor provoacă o circulație de curenți proporțională cu frecvență armonicilor. Acești curenți generează pierderi suplimentare.

Suprasolicitarea echipamentelor.

Generatoare

Generatoarele care alimentează sarcini neliniare trebuiesc declasate ca urmare a pierderilor suplimentare cauzate de curenții armonici. Pentru un generator care alimentează o sarcină ce conține în proporție de 30% sarcini neliniare, nivelul de declasare este de aproximativ 10%. Prin urmare este necesară supradimensionarea generatorului.

Surse neîntreruptibile (UPS-uri)

O sursă de acest tip dimensionată în funcție de valoarea efectivă a curentului nu este capabilă să alimenteze valoarea de vârf a curentului, fiind astfel suprasolicitată.

Mașini asincrone

În acest caz se definește factorul de tensiune armonică cu următoarea formulă:

Condensatori

Conform standardelor, valoarea efectivă a curentului care circulă prin condensatori nu trebuie să depășească 1.3 din valoarea curentului nominal.

Conductor neutral

Considerăm un sistem alcătuit dintr-o sursă trifazată echilibrată și trei sarcini monofazate identice conectate între faze și neutru (Fig0%. Prin urmare este necesară supradimensionarea generatorului.

Surse neîntreruptibile (UPS-uri)

O sursă de acest tip dimensionată în funcție de valoarea efectivă a curentului nu este capabilă să alimenteze valoarea de vârf a curentului, fiind astfel suprasolicitată.

Mașini asincrone

În acest caz se definește factorul de tensiune armonică cu următoarea formulă:

Condensatori

Conform standardelor, valoarea efectivă a curentului care circulă prin condensatori nu trebuie să depășească 1.3 din valoarea curentului nominal.

Conductor neutral

Considerăm un sistem alcătuit dintr-o sursă trifazată echilibrată și trei sarcini monofazate identice conectate între faze și neutru (Fig.1.9).

Fig. 1.9: Circulația de curenți într-un circuit trifazat [3]

În graficul de mai jos (Fig.1.10) este exemplificat un exemplu de circulație a curenților pe cele trei faze ale circuitului și a curentului rezultant din conductorul neutral.

Fig. 1.10: Exemplu de curenți prin diferite conductoare conectate la o sarcină trifazată [3]

În exemplul de mai sus (Fig.1.10) valoarea efectivă a curentului care circulă prin conductorul neutral este de ori mai mare decât valoarea efectivă a curentului care circulă prin conductoarele de fază. Prin urmare, conductorul neutral trebuie suradimensionat.

Compensarea energiei reactive

Energia reactivă

Orice mașină sau dispozitiv inductiv care este alimentat în curent alternativ transformă energia electrică primită de la sistemul de alimentare în lucru mecanic și căldură. Această energie este măsurată cu contorul de energie activă (în kWh) și este denumită energie activă. În scopul realizării acestei conversii se produc câmpuri magnetice în mașini asociate cu o altă formă de energie preluată din sistemul de alimentare, numită energie reactivă. Aceasta se datorează faptului că dispozitivul inductiv absoarbe ciclic energie de la sistemul de alimentare și reinjectează această energie în sistem de două ori în fiecare perioadă a curentului alternativ de alimentare.

Efectul, asupra rotorului generatorului, este de a-l încetini pe durata unei părți a perioadei și de a-l accelera în timpul celeilalte părți. Acest cuplu pulsant este strict valabil numai pentru alternatoarele monofazate. Pentru alternatoarele trifazate efectul este anulat mutual în cele trei faze deoarece, la orice moment energia reactivă de alimentare în una (sau două) faze este egală cu energia reactivă returnată în celelalte două (sau una) faze în cazul unui sistem echilibrat. Rezultatul este o sarcină medie nulă asupra generatorului, adică componenta reactivă a curentului nu absoarbe putere de la rețea.

Un fenomen similar se întâmplă cu elementele capacitive dintr-un sistem de alimentare, precum capacitatea cablurilor sau bateriile de condensatoare de putere, etc. în acest caz, energia este înmagazinată electrostatic, încărcarea și descărcarea ciclică a capacității acționează asupra generatorului din sistem în același mod în care a fost descris anterior (cazul inductiv), dar circulația curentului, către și de la capacități fiind în opoziție de fază față de cel din cazul unei inductanțe. Pe aceste considerații se bazează schemele de compensare a energiei reactive (și îmbunătățire a factorului de putere).

Trebuie reținut că în timp ce componenta reactivă a curentului de sarcină nu absoarbe putere de la sistem, ea cauzează pierderi de energie în sistemele de transport și distribuție a energiei prin încălzirea conductorilor. Practic, în sistemele de alimentare componentele reactive ale curenților de sarcină au caracter predominant inductiv și impedanțele sistemelor de transport și distribuție sunt predominant capactive. Combinația curent inductiv trecând prin reactanța inductivă produce cele mai neplăcute condiții de cădere de tensiune.

Pentru aceste motive este necesară reducerea curentului inductiv pe cât posibil. Curentul capacitiv are efect invers asupra nivelului de tensiune și produce o creștere de tensiune in sistemul de alimentare.

Puterea (kW) asociată cu energia “activă” este notată cu P. Puterea reactiva (kVAR) este notată cu Q. Puterea reactivă inductivă este convențional pozitivă (+ Q) iar cea reactivă capacitivă este considerată negativă (- Q). [4]

Factorul de putere

Factorul de putere (PF – Power Factor) este raportul dintre puterea activă P și puterea aparentă S.

Există adesea confuzia cu:

unde:

P1 = puterea activă a fundamentalei;

S1 = puterea aparentă a fundamentalei.

Cosφ privește exclusiv frecvența fundamentală și, de aceea, diferă de factorul de putere PF atunci când armonicele sunt prezente în instalații.

Valori uzuale ale factorului de putere pentru cele mai comune echipamente si aplicatii (Tab 1.1)

Tab. 1.1: Valori ale cosφ si tanφ pentru cele mai comune echipamente si aplicatii.

Avantajele îmbunătățirii factorului de putere

Reducerea costului energiei

Managementul bun al consumului de energie reactivă aduce importante avantaje economice. Aceste considerații sunt bazate pe structura actuală de tarife aplicate în mod curent în Europa, destinate să încurajeze beneficiarii să micșoreze consumul de energie reactivă.

Instalarea condensatoarelor de compensare a energiei reactive la consumatori permite reducerea notelor de plată la electricitate prin menținerea consumului de putere reactivă sub o anumită valoare, agreată prin contractul cu furnizorul de energie.

În acest tip de tarif, energia reactivă este plătită conform criteriului lui tanφ.

În fața avantajelor notelor de plată scăzute consumatorul trebuie să pună în balanță costul achiziționării, instalării și utilizării condensatoarelor de compensare a energiei reactive, aparaturii de protecție și comandă, întreruptorului automat împreună cu consumul suplimentar de kWh datorat pierderilor în dielectricul condensatoarelor.

Este posibil să fie mai economic să se facă compensarea numai parțial și ca plata unei părți din energia reactivă să fie mai avantajoasă decât o compensare de 100%. În general, corecția factorului de putere este o problemă de optimizare, cu excepția unor cazuri foarte simple.

Optimizarea tehnico-economică

Un factor de putere mai mare permite optimizarea componentelor unei instalații. Supradimensionarea unui echipament poate fi evitată, dar pentru a obține cele mai bune rezultate corecția ar trebui făcută pe cât posibil cât mai aproape de fiecare componentă a echipamentelor inductive.

Reducerea pierderilor în cabluri

Pierderile în cabluri sunt proporționale cu pătratul curentului și sunt măsurate cu kWh-metrul. Reducerea curentului într-un conductor cu 10% de exemplu, duce la scăderea pierderilor cu circa 20%.

Reducerea căderilor de tensiune

Condensatoarele montate pentru compensarea energiei reactive reduc sau chiar anulează curentul reactiv inductiv în conductorii din amonte, reducând astfel sau chiar eliminând căderile de tensiune.

Creșterea puterii disponibile

Prin îmbunătățirea factorului de putere al unei sarcini alimentată de la un transformator, curentul prin transformator se va reduce, permițând astfel adăugarea unor alte sarcini. În practică, poate fi mai avantajos să îmbunătățești factorul de putere decât să înlocuiești transformatorul cu unul mai mare.

Metode de îmbunătățire a factorului de putere

O sarcină inductivă cu factor de putere mic determină apariția în generator și în sistemele de distribuție unui curent reactiv (defazat cu 90° în urma tensiunii) însoțit de pierderi de putere și căderi de tensiune. Dacă se adaugă sarcinii o baterie de condensatoare în paralel, curentul reactiv capacitiv al acesteia va urma același traseu în circuit ca și curentul reactiv existent anterior. Deoarece acest curent capacitiv IC (care prezintă un defazaj de 90°, înaintea tensiunii) este în opoziție de fază cu curentul reactiv anterior (lL), iar ambii curenți circulă pe același traseu, aceștia se pot anula reciproc. Dacă bateria de condensatoare este suficient de mare, se poate ca IC = IL deci să nu mai existe curent reactiv în circuitul din amonte de condensatoare. În general nu este economic să se compenseze total o instalație electrică.

La joasă tensiune compensarea se face cu:

Condensatoare de valoare fixă;

Fig.1.11: Baterie de condensatoare fixă

Această soluție folosește unul sau mai multe condensatoare pentru a obține un anumit nivel de compensare. Comanda poate fi:

Manuală: prin întreruptor automat sau prin separator de sarcină;

Semi-automată: prin contactor;

Prin legare directă la un echipament electric și comutare odată cu comutarea acestuia.

Aceste condensatoare sunt montate:

la bornele receptorilor inductivi (motoare și transformatoare);

pe barele de distribuție de la care se alimentează motoare mici sau consumatori inductivi și pentru care compensarea individuală ar fi prea costisitoare;

în cazurile în care nivelul sarcinii este în general constant.

Echipament prevăzut cu reglare automată sau baterie de condensatoare care permite ajustarea continuă în concordanță cu cerințele impuse de modificarea sarcinii.

Fig.1.12: Baterie de condensatoare automata cu o singură treaptă

Acest gen de echipament efectuează controlul automat al compensării, menținând în niște limite strânse valoarea factorului de putere. Astfel de echipament se montează în locurile în care se produc variații mari de puteri active și/sau reactive, de exemplu:

pe barele tabloului general de distribuție;

la bornele unui cablu de alimentare, pentru o sarcină mare.

O baterie de condensatoare este împărțită într-un număr de secțiuni, fiecare fiind comandată de un contactor. Închiderea unui contactor pune secțiunea aferentă în paralel cu altele care deja sunt conectate. În felul acesta, valoarea capacității bateriei poate fi modificată în trepte.

Un releu de control monitorizează factorul de putere al circuitului respectiv și este reglat să închidă și să deschidă contactoarele necesare pentru a menține o valoare constantă a factorului de putere (0,92 in România). Transformatorul de curent pentru releul de monitorizare trebuie plasat pe una din fazele cablului de intrare care alimentează circuitul, conform Fig. 1.13.

Fig. 1.13: Principiul bateriei de condensatoare în trepte, cu reglaj automat.

Prin compensarea la valoare apropiată de cea cerută de sarcină, posibilitatea de producere a supratensiunilor la sarcină redusă va fi evitată, reducându-se astfel probabilitatea de defectare a utilajelor și a echipamentelor. Supratensiunile cauzate de supracompensarea energiei reactive depind parțial de valoarea impedanței sursei. [4]

Când puterea reactivă instalată de compensat depășește 800 kVAR și sarcina este stabilă este adesea mai economic să se utilizeze baterii de condensatoare pe partea de medie tensiune.

Tipuri de compensare a energiei reactive

Compensarea globală

Bateria de condensatoare este conectată la barele tabloului general de distribuție de JT a instalației și rămâne în funcțiune pe durata regimului normal.

Avantaje ale compensării de tip global:

reduce penalitățile de depășire a consumului de energie reactivă contractat;

reduce cererea de putere aparentă, pe care se bazează funcționarea sarcinilor permanente;

reduce încărcarea transformatorului, care devine apt pentru o sarcină mai mare, dacă este nevoie.

Dezavantaje ale compensării de tip global:

curentul reactiv continuă să existe în toate conductoarele cablurilor care pleacă de la tabloul principal de distribuție de JT;

din motivul enunțat, dimensionarea acestor cabluri și a pierderilor de putere din ele, nu este îmbunătățită printr-o compensare globală.

Fig. 1.14: Modelul compensării globale.

Compensarea sectorială

Bateria de condensatoare este conectată la barele de distribuție ale fiecărui tablou de distribuție intermediar (Fig. 1.14)

De această alegere beneficiază o parte semnificativă a instalației, în particular cablul de alimentare de la tabloul general de distribuție la fiecare tablou intermediar, unde sunt aplicate măsurile de compensare.

Avantaje ale compensării de tip sectorial:

reduce penalitățile pentru consum excesiv de putere reactivă;

reduce cererea de putere aparentă pe care se bazează funcționarea sarcinilor permanente;

menajează transformatorul care devine apt pentru o sarcină mai mare, dacă este necesar;

dimensiunile cablurilor în distribuția locală se pot reduce sau se pot alimenta sarcini suplimentare;

pierderile în aceleași cabluri se reduc.

Dezavantaje ale compensării de tip sectorial:

curentul reactiv continuă să circule în toate cablurile din aval de tablourile de distribuție intermediare;

din acest motiv nu se pot optimiza dimensiunile cablurilor și nu este posibilă diminuarea pierderilor din ele prin compensarea sectorială;

când au loc modificări mari de sarcină există riscul de supracompensare și în consecință de supratensiune, cu problemele aferente.

Fig. 1.15: Modelul compensării sectoriale.

Compensare individuală

Condensatoarele sunt conectate direct la bornele sarcinii. Compensarea individuală poate fi utilizată atunci când puterea motorului este semnificativă în raport cu puterea totală a instalației (kVA). Valoarea puterii reactive în bateria de condensatoare este de ordinul 25% din puterea activă a motorului. De asemenea, o compensare suplimentară la originile instalației (aproape de transformator) se poate dovedi avantajoasă. [4]

Avantaje ale compensării de tip individual:

reduce penalitățile pentru consumul excesiv de putere reactivă;

reduce puterea aparentă cerută;

reduce dimensiunile cablurilor și pierderile în acestea.

nu mai există curenți reactivi semnificativi în instalație.

Studiu de caz

În cadrul acestei lucrări am realizat un studiu de caz care a avut ca subiect principal studierea perturbațiilor ce apar în momentul compensării energiei reactive. Pentru realizarea studiului am folosit un echipament special de compensare a energiei reactive produs de Schneider Electric. Acestui echipament am adăugat încă două componente: un analizor de rețea și un calculator conectat la acesta. Ansamblul complet este ilustrat în Fig.1 și prezentat pe larg în cadrul capitolelor II și III.

Fig.1: Ansamblul instalației folosite

Utilizând această instalație am putut observa impactul pe care îl are asupra rețelei, absența sau realizarea compensării energiei reactive. Am realizat studiul utilizând 5 configurații reprezentative de sarcini, fiecare din ele necesitând un nivel diferit de compensare (capitolul III).

Am încheiat studiul de caz prin propunerea unei platforme de laborator (capitolul IV) care va putea fi folosită în viitor în cadrul facultății.

CAPITOLUL II

Prezentarea instalației folosite

Panou de control

Fig.2.1: Vedere frontală

Date electrice:

Tensiune de alimentare: 230V ~ monofazat ± 10%;

Frecvență: 50/60 Hz ± 5%;

Putere consumată: 3.2 kVA;

Curent nominal: 3kA;

Grad de protecție împotriva șocurilor electrice: I;

Categoria de instalare: II.

Dimensiuni:

Înălțime: 950mm;

Lățime: 700mm;

Adâncime: 370mm;

Masă: aproximativ 70kg.

Acesta are în componența sa urmatoarele:

Vedere frontală (ușa):

Circuitul electric al instalației;

(1) Un indicator luminos “POWER ON”;

(2) Un comutator pentru introducerea în circuit a bobinelor de inducție;

(3) Un variator ce permite modificarea intensității lămpilor introduse în circuit;

(4) Un comutator ce permite selectarea uneia sau mai multor lămpi cu halogen care vor fi introduse în circuit (poziția 1 – o singura lampă cu halogen, poziția 2 – toate cele trei lămpi cu halogen);

(5) Un varmetru “VARLOGIC”;

(6) Trei comutatoare pentru introducerea forțată în circuit a modulelor bateriei de condensatoare, însoțite de trei leduri, fiecare din ele corespunzând unui modul;

(7) Un buton pentru oprirea de urgență.

Vedere superioară:

(8)O lampă ce indică conectarea tabloului la rețeaua de alimentare.

Vedere laterală dreapta Vedere laterală stânga

Fig.2.2: Vederi laterale

Vedere laterală stânga:

(1) Un comutator ON/OFF;

Un întrerupător principal;

(2) O priza de alimentare;

(3) Un comutator cu cheie folosit la împământarea mecanismului de protecție a ușii;

(7) Un mâner pentru transport.

Vedere laterală dreapta:

(4) Mai multe terminale pentru măsurarea tensiunii și curentului folosite în cadrul experimentului;

(5) Călăreți – conexiuni scurte;

(6) Mufă de conexiune;

(7) Un mâner pentru transport.

În interior, începand din partea stângă sus:

Pe prima linie:

Fig.2.3: Vedere interioară

Întreruptorul Q1 pentru protecția lămpilor cu halogen;

Întreruptorul Q30 pentru protecția releului varmetrului;

Două întreruptoare Q2-Q3 pentru protecțiile primare și secundare ale transformatorului;

Un releu KA0 pentru controlul bobinei întreruptorului principal;

Un releu KA50 pentru controlul comutatorului static;

Două variatoare de tensiune;

Un indicator luminos portocaliu ce indică deconectarea mecanismului de protecție a ușii;

Un transformator de siguranță T1 de 24V;

Un transformator de curent folosit pentru detectarea tipului de curent de către varmetru.

A doua linie:

Fig.2.3.1: Vedere interioară

Contactoare KM10A – KM10B – KM20 – KM31 pentru introducerea în circuit a bobinelor de inducție;

Un contactor KTV pentru controlul forțat al lămpilor cu halogen;

Două contactoare KM30 – KM40 pentru introducerea în circuit a condensatoarelor C30 si C40.

A treia linie:

Fig.2.3.2: Vedere interioară

Trei condensatoare C30 – C40 – C50 cu un terminal de conexiuni;

Un comutator static pentru introducerea sau scoaterea din circuit a condensatorului C50, care include un control electronic și două tiristoare de putere poziționate în antiparalel.

Pe ultima linie:

Fig.2.3.3: Vedere interioară

O inductanță L10 folosite pentru evidențierea armonicilor;

O inductanță L20 = 175mH pentru defazarea fazelor;

O inductanță anti-rezonanță L30 = 56mH utilizată pentru atenuarea efectului armonicilor creat de condensatoarele de corecție.

Parte operativă

Fig.2.4: Parte operativă

Dimensiuni:

Înăltime: 420mm;

Lățime: 800mm;

Adâncime: 3000mm;

Masă: aproximativ 18kg;

Aceasta are în componența sa urmatoarele:

O structură de aluminiu;

Trei panouri transparente;

O grila de ventilație formată din două panouri (cel de sus și cel din spate);

Trei lămpi cu halogen, fiecare cu o putere de 500W;

Două ventilatoare cu o putere de 250m3/h;

Un termostat pentru monitorizarea temperaturii din interiorul cutiei;

Un cablu pentru contectarea la panoul de control;

Două manere pentru transport.

CAPITOLUL III

Studiul privind perturbații în cazuri reprezentative

Folosind instalația pusă la dispoziție în laborator am efectuat o serie de măsurători pentru a pune în evidență impactul pe care îl are factorul de putere și compensarea sa, prin introducerea în circuit a unei baterii de condensatoare, asupra rețelei.

Panoul de control dispune de un sistem de corectare automată a factorului de putere, atunci când acest lucru este necesar. Controlul bateriilor de condensatoare se face după următoarea schemă:

Fig.3.1: Comanda bateriilor de condensatoare

Cu ajutorul informațiilor generate de transformatorul de curent TI1 plasat la începutul instalației și tensiunea de referință, măsurată cu ajutorul unui releu, este determinat cos(φ) al rețelei. Valoarea acestuia este apoi comparată cu o valoare de prag, cos(φ) = 0.96. Releul varmetrului reacționează în funcție de valoare măsurată în instalație, luând ca referință valoarea de prag. În cazul în care valoarea măsurată este mai mică de 0.96, releul varmetrului va introduce în circuit, pe rând, câte unul din cele trei module de corectare ale bateriei de condensatoare, până în momentul în care cos(φ) ajunge la valoarea dorită. Fiecare pas de corecție are o capacitate de 24.8 µF.

Pentru a reliefa cât mai bine fenomenul de compensare a energiei reactive am folosit în cadrul experimentului diferite tipuri de sarcini. Am realizat măsurători și am studiat fenomenul pentru următoarele configurații:

O lampă cu halogen cu o putere de 500W;

O lampă cu halogen cu o putere de 500W și inductanța L20 = 175mH;

Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 500W;

Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 500W și inductanța L20 = 175mH;

Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 1,5kW;

Intensitatea fiecărei lămpi poate fi reglată cu ajutorul unui variator.

Pentru fiecare din cazurile de mai sus am realizat măsurători atât înainte cât și după compensarea factorului de putere. Graficul armonicilor și formele de undă ale curentului și tensiunii le-am putut studia cu ajutorul unui analizor al calității puterii produs de firma Fluke aparținând seriei 43B. După colectarea datelor și vizualizarea formelor de undă pe ecranul analizorului, acestea au fost preluate pe un calculator folosind programul FlukeView care permitea transmiterea în timp real a datelor afișate pe ecranul analizatorului către un calculator conectat la acesta.

Analizorul a fost conectat la instalație în următorul mod:

Fig.3.2: Modul de conectare al analizatorului de rețea.

Sondele de tensiune sunt conectate la bornele UM amplasate pe partea dreaptă a tabloului de control, iar cleștele pentru citirea valorii curentului este amplasat la bornele IM. Pentru fiecare dintre măsurătorile de mai jos aparatul a fost conectat în același mod.

Valorile factorului de putere, curentului și tensiunii mai pot fi vizualizate și pe ecranul varmetrului Varlogic amplasat pe panoul de control. În anumite cazuri în care forma de undă a curentului nu mai este sinusoidală datorită armonicilor generate, măsurătorile afișate de către Varlogic pot diferi ușor de cele oferite de analizorul folosit. Când am întâlnit acest lucru am ales folosirea datelor oferite de analizorul de rețea.

O lampă cu halogen cu o putere de 500W

Primele măsurători pe care le-am efectuat au fost pentru o sarcină constituită dintr-o lampă cu halogen aflată la intensitate maximă (putere consumată P = 500W).

Pentru a putea vizualiza și studia efectul pe care acest tip de sarcină îl are asuprea rețelei am blocat intrarea în rețea a bateriei de condensatoare. Am realizat acest lucru îndepărtând legăturile I50, I40 și I30 amplasate pe partea dreaptă a tabloului de control, înainte de alimentarea acestuia. În acest fel bateriile de condensatoare nu mai pot fi introduse în circuit chiar dacă sistemul de control al corecției determină că este nevoie de ele pentru creșterea cos(φ).

Analizorul rețelei a fost conectat conform Fig.3.2 de mai sus, iar formele de undă ale curentului și tensiunii obținute au fost următoarele:

Fig.3.3: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 1

Fig.3.4: Armonicile de curent pentru configurația 1

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 3.64 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 2.47 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 313 V;

Puterea activă: P = 533 W;

Puterea aparentă: S = 544 VA;

Puterea reactivă: Q = 105 VAr;

Factorul de putere: FP = 0.99;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.98;

Factorul de distorsiune: THD = 7.6 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Se poate observa în graficul din Fig.3.3 că nu există defazaj între formele de undă ale tensiunii și curentului și că nu sunt prezente armonici (THD = 7.6%), forma de undă a curentului fiind sinusoidală. Aceste două observații indică folosirea unei sarcini liniare.

Această configurație, cu o singură lampă cu halogen folosită la intensitate maximă și cu o putere P = 500W permite identificarea unei sarcini pur rezistive: puterea activă este aproximativ egală cu cea aparentă (P ~ S), valoarea redusă a puterii reactive Q=105VAr și factorul de putere aproximativ egal cu factorul de deplasare (FP ~ cos(φ) ~ 1).

Deoarece factorul de putere are o valoare acceptată, în acest caz nu mai este necesară corectarea sa, prin urmare sistemul de comandă al bateriei de condensatoare (releul varmetrului) nu a încercat introducerea în circuit a niciunui modul.

Graficul din Fig.3.4 arată faptul că în rețea este prezentă doar armonica fundamentală, având un factor de distorsiune mic, THD = 7.6%.

Pentru această configurație am studiat și fenomenul de supracorecție. Am introdus forțat în circuit cele trei module ale bateriei de condensatoare prin acționarea manuală a comutatoarelor S60, S70, S80. Înainte de acționarea comutatoarelor, am refăcut conexiunile scurte I50, I40, I30.

Formele de undă ale curentului și tensiunii s-au modificat în felul următor:

Fig.3.5: Formele de undă ale curentului și tensiunii în cazul supracorecției

Fig.3.6: Armonici de curent în cazul supracorecției.

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 9.2 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 5.4 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 309 V;

Puterea activă: P = 520 W;

Puterea aparentă: S = 1.18 kVA;

Puterea reactivă: Q = 1.06 kVAr;

Factorul de putere: FP = 0.44;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.46;

Factorul de distorsiune: THD = 12.4 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Prin introducerea forțată a bateriei de condensatoare în circuit într-un moment în care nu era necesară compensarea energiei reactive, valoarea puterii aparente cerută rețelei se dublează (inițial S = 544 VA, după supracompensare S = 1.18 kVA). Prin urmare se mărește și valoarea curentului de linie.

În Fig.3.5 se poate observa apariția defazajului între curent și tensiune cât și apariția armonicilor de curent (THD = 12.4 %). Forma de undă a curentului este defazată în fața tensiunii ca urmare a introducerii în circuit a unei sarcini capacitive.

Pentru evitarea acestui fenomen este foarte important controlul cât mai axact al compensării energiei reactive. O baterie de condensatoare fixă plasată într-o instalație în care consumul de putere variază considerabil nu este rentabilă, aceasta riscând să producă fenomenul de supracompensare în anumite situații.

O lampă cu halogen cu o putere de 500W și inductanța L20 = 175mH

A doua configurație pentru care am efectuat măsurători este constituită dintr-o sarcină compusă din o lampă cu halogen aflată la intensitate maximă, cu o putere maximă P = 500W și o inductanța L20 = 175mH. Inductanța L20 a fost introdusă în circuit cu ajutorul unui comutator amplasat pe partea frontală a panoului de control.

Așa cum am procedat și în celelalte cazuri, înainte de începerea experimentului și de alimentarea instalației, am îndepărtat conexiunile scurte I50, I40, I30 pentru a împiedica releul varmetrului să realizeze compensarea energiei reactive, dacă aceasta va fi necesară.

Analizorul rețelei a fost conectat conform schemei din Fig.3.2, iar formele de undă ale curentului și tensiunii obținute au fost următoarele:

Fig.3.7: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 2, înaintea compensării energiei reactive

Fig.3.8: Armonicile de curent pentru configurația 2, înaintea compensării energiei reactive

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 7.9 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 5.58 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 313 V;

Puterea activă: P = 0.6 kW;

Puterea aparentă: S = 1.15 kVA;

Puterea reactivă: Q = 0.98 kVAr;

Factorul de putere: FP = 0.54;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.52;

Factorul de distorsiune: THD = 3.5 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

În graficul din Fig.3.7 se poate observa că forma de undă a curentului este sinusoidală, fără armonici generate (THD = 3.5%), dar spre deosebire de curentul obținut în configurația 1, acesta este defazat cu 90o în spatele tensiunii ceea ce indică folosirea unei sarcini inductive. Faptul că în acest caz avem o formă de undă a curetului sinusoidală dar nu există armonici ne indică de asemenea prezența unei sarcini liniare. Factorul de putere este aproximativ egal cu factorul de deplasare și mai mic decât 1 (FP ~ cos(φ) < 1).

Pentru aceeași putere activă folosită și în cadrul primei configurații P = 500W, puterea cerută de la rețea se dublează în acest caz (configurația 1: S = 544VA, configurația 2: S = 1.15kVA). Această creștere semnificativă a puterii aparente se datorează în principal consumului de putere reactivă (Q = 980VAr) care intervine în momentul introducerii în circuit a inductanței L20.

S = = = 1.15 kVA

Deoarece cos(φ) are o valoare mică, 0.52, acesta va trebui corectat prin introducerea în circuit a bateriei de condensatoare. Pentru a putea studia acest fenomen, am întrerupt alimentarea instalației și am refăcut legăturile I30, I40 și I50. Astfel, odată realimentată, instalația va putea realiza compensarea energiei reactive cu ajutorul varmetrului Varlogic pe care îl are integrat.

Compensarea se face conform circuitului din Fig.3.1. Am calculat capacitatea bateriei de condensatoare necesară aducerii cos(φ) la voloarea 0.96 utilizând următoarele formule:

tg(φ1) = Q/P = 0.98/0.6 = 1.63

tg(φ2) = tg(arccos(0.96)) = 0.29

Qb = P ( tg(φ1) – tg(φ2) ) = 600 ( 1.63 – 0.29 ) = 804 VAr

CD = = = = 5.33 µF

Dupa compensarea energiei reactive am obținut următoarele forme de undă:

Fig.3.9: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 2, după compensarea energiei reactive

Fig.3.10: Armonici de curent pentru configurația 2, după compensarea energiei reactive

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 5.32 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 2.87 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 309 V;

Puterea activă: P = 559 W;

Puterea aparentă: S = 629 VA;

Puterea reactivă: Q = 288 VAr;

Factorul de putere: FP = 0.89;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.92;

Factorul de distorsiune: THD = 26.7 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

În acest caz, varmetrul Varlogic activează 2 pași de corectare a cos(φ) pentru a-l aduce cât mai aproape de valoarea dorită, 0.96. Cele două module ale bateriei de condensatoare introduse în circuit furnizează aproximativ 700VAr, putere care, prin urmare, nu mai trebuie asigurată de către rețea. Ca o urmare a compensării puterii reactive, valoarea efectivă a curentului de linie se înjumătățește (IRMS1 = 5.58 A, IRMS2 = 2.87 A). Același lucru se întâmplă și cu valoarea puterii aparente cerută de instalație, care scade la aproximativ jumătate din valoarea inițială (S1 = 1.15 kVA, S2 = 629 VA).

Se poate observa în graficul din Fig.3.9 că în urma compensării, formele de undă ale curentului și tensiunii nu mai sunt defazate iar instalația intră într-un regim tranzitoriu datorat sarcinii capacitive introduse în circuit, regim caracterizat prin prezența armonicilor (THD = 26.7%).

Pentru verificarea funcționării corecte a varmetrului Varlogic am repetat măsurătorile pentru această configurație. Varmetrul detectează necesitatea compensării energiei reactive și introduce în circuit două din cele trei module ale bateriei de condensatoare pentru creșterea cos(φ) până la valoarea impusă (0.96). În acest moment am introdus forțat în circuit al treilea modul al bateriei de condesatoare. După câteva secunde (perioadă configurabilă) releul varmetrului încearcă să adapteze corecția la noua putere reactivă consumată, astfel scoate din circuit unul din cele două module ale bateriei de condensatoare activate inițial. În urma acestei reacții a varmetrului, parametrii instalației sunt încă o dată aduși la valorile dorite, iar fenomenul de supracorecție este evitat.

Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 500W

A treia configurație pentru care am realizat măsurători este constituită dintr-o sarcină compusă din trei lămpi cu halogen care au împreună o putere totală de P = 500W.

Pentru a putea vizualiza și studia efectul pe care acest tip de sarcină îl are asuprea rețelei, am blocat intrarea în rețea a pașilor de corecție. Am realizat acest lucru îndepărtând legăturile I50, I40 și I30 amplasate pe partea dreaptă a tabloului de control, înainte de alimentarea acestuia. În acest fel modulele bateriei de condensatoare nu mai pot fi introduse în circuit chiar dacă sistemul de control al corecției determină că este nevoie de ele pentru creșterea cos(φ).

Analizorul rețelei a fost conectat conform schemei din Fig.3.2, iar formele de undă ale curentului și tensiunii obținute au fost următoarele:

Fig.3.11: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 3, înaintea compensării energiei reactive

Fig.3.12: Armonici de curent pentru configurația 3, înaintea compensării energiei reactive

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 12 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 4.21 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 317 V;

Puterea activă: P = 490 W;

Puterea aparentă: S = 980 VA;

Puterea reactivă: Q = 830 VAr;

Factorul de putere: FP = 0.51;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.67;

Factorul de distorsiune: THD = 63.7 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Spre deosebire de cele două cazuri studiate anterior, sarcina compusă din cele trei lămpi cu halogen determină în rețea o formă de undă a curentului defazată față de tensiune și nesinusoidala, fiind încărcată cu armonici (THD = 63.7 %). Se poate identifica o sarcină neliniară, unde factorul de putere diferă de factorul de deplasare, iar ambele au o valoare mai mică de 1 (FP <> cos(φ)<1). De asemenea, datorită defazajului dintre curent și tensiune putem fi siguri de utilizarea unei sarcini strict inductive, forma de undă a tensiunii fiind defazată înaintea curentului cu 900.

Pentru aceeași putere activă folosită și în cazul primelor două configurații P = 500 W, puterea cerută de la rețea se plasează între cele două valori obținute mai sus S = 980 VA. Pentru prima configurație am obținut o putere aparentă S = 544 VA, iar pentru cea de-a două am obținut S = 1,15 kVA. În acest caz puterea cerută de la rețea de 980 VA nu se datorează, ca în primele două cazuri, exclusiv consumului de putere reactivă (Q = 830 VAr) deoarece formula S = nu se mai poate aplica.

Asemănător configurației în care am folosit o singură lampă cu halogen cu o putere P = 500 W și inductanța L20, valoarea cos(φ) = 0.67 va trebui corectată prin introducerea în circuit a bateriei de condensatoare. De asemenea pentru eliminarea armonicilor de curent se indică folosirea unor filtre de armonici. Pentru a putea realiza acest lucru am întrerupt alimentarea panoului de control și am refăcut conexiunile I30, I40, I50 pe care le-am îndepărtat pentru a putea efectua prima parte a măsurătorilor. Am alimentat din nou panoul, iar compensarea s-a făcut conform circuitului din Fig.3.1. Am calculat capacitatea bateriei de condensatoare necesară aducerii cos(φ) la voloarea 0.96 utilizând următoarele formule:

tg(φ1) = Q/P = 830/490 = 1.69

tg(φ2) = tg(arccos(0.96)) = 0.29

Qb = P ( tg(φ1) – tg(φ2) ) = 490 ( 1.69 – 0.29 ) = 686 VAr

CD = = = = 4.55 µF

Formele de undă obținute în urma compensării energiei reactive sunt următoarele:

Fig.3.13: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 3, după compensarea energiei reactive

Fig.3.14: Armonici de curent pentru configurația 3, după compensarea energiei reactive

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 12,6 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 3.54 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 313 V;

Puterea activă: P = 500 W;

Puterea aparentă: S = 800 VA;

Puterea reactivă: Q = 630 VAr;

Factorul de putere: FP = 0.62;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.96;

Factorul de distorsiune: THD = 76 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Pentru această configurație, releul varmetrului introduce în circuit un singur modul al bateriei de condensatoare. Acesta va ridica cos(φ) până la valoarea 0.96. Și aici ca și în cazul configurației studiate anterior se observă o scădere a curentului de linie (IRMS1 = 4.21 A, IRMS2 = 3.54 A) și a puterii aparente cerută de instalație (S1 = 980 VA, S2 = 800 VA), dar de această dată reducerea valorilor este mult mai mică. Acesta este un efect al utilizării unei sarcini neliniare care afectează foarte mult factorul de putere (FP = 0.62). Luând în calcul doar factorul de deplasare pot spune că și de această dată compensarea energiei reactive s-a făcut cu succes.

Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 500W și inductanța L20 = 175mH

A patra configurație folosită este constituită din toate cele trei lămpi cu halogen introduse în circuit. Acestea nu vor fi folosite la intensitate maximă ci la un sfert din puterea totală pe care o pot dezvolta (Ptot = 1.5 kW). Reglajul puterii l-am realizat cu ajutorul unui variator.

Așa cum am procedat și în celelalte cazuri, înainte de începerea experimentului și de alimentarea instalației, am îndepărtat conexiunile scurte I50, I40, I30 pentru a împiedica releul varmetrului să realizeze compensarea energiei reactive, dacă aceasta va fi necesară.

După alimentarea instalației am obținut următoarele forme de undă:

Fig.3.15: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 4, înaintea compensării energiei reactive

Fig.3.16: Armonici de curent pentru configurația 4, înaintea compensării energiei reactive

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 13.8 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 7.14 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 325 V;

Puterea activă: P = 0.5 kW;

Puterea aparentă: S = 1.6 kVA;

Puterea reactivă: Q = 1.52 kVAr;

Factorul de putere: FP = 0.31;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.35;

Factorul de distorsiune: THD = 32.8 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Cele trei lămpi controlate astfel încât să aibă o putere totală de 500 W plus inductanța L20 determină în rețea o formă de undă a curentului nesinusoidală, încărcată cu armonici (THD = 32.8%) și defazată în spatele tensiunii cu 90o. Acest defazaj indică folosirea unei sarcini inductive. De asemenea se poate indentifica și o sarcină neliniară. Deoarece există atât armonici generate cât și defazaj între cele două forme de undă, factorul de putere diferă de factorul de deplasare, dar au valori apropiate, iar ambele sunt mai mici ca 1 ( FP <> cos(φ) < 1). În cazul de față, soluția pentru îmbunătățirea transferului de putere și reducerea pierderilor este compensarea energiei reactive folosind o baterie de condensatoare și folosirea unor filtre pentru eliminarea armonicilor.

Asemenea cazurilor studiate anterior se poate observa că pentru aceeași putere activă P = 500W crește puterea aparentă cerută de la rețea. Această configurație cu cele trei lămpi împreună cu inductanța necesită cea mai mare putere aparentă (S = 1.6 kVA). Această creștere semnificativă a puterii cerută de la rețea se datorează în primul rând consumului de putere reactivă foarte mare (Q = 1.52 kVAr).

Compensarea energiei reactive este necesară pentru mărirea valorii factorului de deplasare de la 0.35 la valoarea de prag impusă 0.96. Pentru a permite varmetrului să realizeze automat corecția, am întrerupt alimentarea instalației și am refăcut legăturile I30, I40, I50 care să permită introducerea în circuit a modulelor bateriei de condensatoare. Compensarea energiei reactive se face conform circuitului din Fig3.1.

Am calculat capacitatea bateriei de condensatoare necesară corectării cos(φ) și am obținut următoarele valori:

tg(φ1) = Q/P = 1.52/0.5 = 3.04

tg(φ2) = tg(arccos(0.96)) = 0.29

Qb = P ( tg(φ1) – tg(φ2) ) = 500 ( 3.04 – 0.29 ) = 1375 VAr

CD = = = = 9.12 µF

Formele de undă obținute în urma compensării energiei reactive sunt următoarele:

Fig.3.17: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 4, după compensarea enrgiei reactive

Fig.3.18: Armonici de curent pentru configurația 4, după compensarea energiei reactive

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 12.4 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 3.82 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 313 V;

Puterea activă: P = 0.53 kW;

Puterea aparentă: S = 0.84 kVA;

Puterea reactivă: Q = 0.65 kVAr;

Factorul de putere: FP = 0.63;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.91;

Factorul de distorsiune: THD = 69.5 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Pentru prima oară configurația folosită determină introducerea în circuit a tuturor celor 3 module ale bateriei de condensatoare pentru aducerea cos(φ) la o valoare cât mai apropiată de 0.96. În acest caz cos(φ) este adus la valoarea de 0.91. Astfel, varmetrul Varlogic reușește să furnizeze aproximativ 900 VAr care prin urmare nu mai trebuie să fie furnizați de către rețea. Ca o consecință a compensării energiei reactive curentul de linie este considerabil redus (IRMS1 = 7.14 A, IRMS2 = 3.82 A) la fel ca și puterea aparentă necesară instalației (S1 = 1.6 kVA, S2 = 0.84 kVA).

Factorul de putere are în continuare o valoare mică, acest lucru fiind determinat de încărcarea cu armonici a formei de undă a curentului, care nu a devenit sinusoidală în urma compensării energiei reactive (FP1 = 0.31, FP2 = 0.63).

Trei lămpi cu halogen cu o putere totală de 1,5kW

Pentru a 5-a configurație am folosit trei lămpi cu halogen încărcate la capacitate maximă care au o putere totală de P = 1.5 kW. Această valoare a puterii active se poate atinge doar în cazuri ideale. Datorită limitărilor și pierderilor pe care instalația folosită le întâmpină, nu am putut încărca cele trei lămpi decât până la o valoare a puterii de 1.38 kW.

Pentru a putea vizualiza și studia efectul pe care acest tip de sarcină îl are asuprea rețelei, am blocat intrarea în rețea a pașilor de corecție. Am realizat acest lucru îndepărtând legăturile I50, I40 și I30 amplasate pe partea dreaptă a tabloului de control, înainte de alimentarea acestuia. În acest fel modulele bateriei de condensatoare nu mai pot fi introduse în circuit chiar dacă sistemul de control al corecției determină că este nevoie de ele pentru creșterea cos(φ).

După alimentarea instalației am obținut următoarele forme de undă:

Fig.3.19: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 5

Fig.3.20: Armonici de curent pentru configurația 5

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 9.4 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 6.38 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 313 V;

Puterea activă: P = 1.38 kW;

Puterea aparentă: S = 1.39 kVA;

Puterea reactivă: Q = 0.17 kVAr;

Factorul de putere: FP = 0.99;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 1;

Factorul de distorsiune: THD = 9.1 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Asemănător primei configurații studiate, și în acest caz formele de undă ale curentului și tensiunii sunt în fază și nu există armonici generate (THD = 9.1%). Valoarea factorului de putere este aproximativ egală cu valoarea factorului de deplasare, ambele fiind apropiate de 1(FP ~ cos(φ) ~ 1).

Ca o concluzie putem spune că lămpile cu halogen folosite la intensitate maximă se comportă ca o sarcină pur rezistivă și liniară. Prin urmare puterea aparentă are o valoare aproximativ egală cu puterea activă, iar puterea reactivă are o valoare scăzută (170 VAr). În graficul din Fig.3.19 se poate observa că forma de undă a curentului este sinusoidală.

Deoarece cos(φ) are o valoare acceptată, în acest caz nu mai este necesară corectarea sa, prin urmare sistemul de comandă al bateriei de condensatoare (releul varmetrului) nu a încercat introducerea în circuit a niciunui modul. Graficul din Fig.3.20 arată faptul că în rețea este prezenta doar armonica fundamentală, având un factor de distorsiune mic, THD = 9.1%.

Ca și în primul caz, am introdus forțat în circuit cele trei module ale bateriei de condensatoare (trecerea pe poziția 1 a comutatoarelor S80, S70, S60), pentru a putea vedea impactul pe care îl are fenomenul de supracorecție asupra instalației.

Am obținut următoarele forme de undă:

Fig.3.21: Formele de undă ale curentului și tensiunii pentru configurația 5, după supracorecție

Fig.3.22: Armonici de curent pentru configurația 5, după supracorecție.

Valori măsurate:

Curentul de vârf: Imax = 12.8 A;

Valoarea efectivă a curentului: IRMS = 7.77 A;

Tensiunea de vârf: Umax = 309 V;

Puterea activă: P = 1.37 kW;

Puterea aparentă: S = 1.7 kVA;

Puterea reactivă: Q = 1.01 kVAr;

Factorul de putere: FP = 0.8;

Factorul de deplasare: cos(φ) = 0.81;

Factorul de distorsiune: THD = 11.7 %;

Frecvență: f = 50 Hz;

Efectul pe care l-a avut introducerea forțată a bateriei de condensatoare este identic cu cel obținut în cazul folosirii ca sarcină a unei singure lămpi cu halogen având puterea de 500 W. Valoarea puterii aparente cerută rețelei crește (inițial S = 1.39 kVA, după supracompensare S = 1.7 kVA), iar în același timp crește și curentul de linie.

Și în acest caz apare defazajul curentului față de tensiune, iar faptul că acesta este defazat cu 90o înaintea tensiunii ne confirmă introducerea în circuit a unei sarcini capacitive. Ca urmare a noii sarcini se pot observa pe forma de undă a curentului din Fig.3.21 apariția armonicilor.

Așa cum am concluzionat mai sus, pentru evitarea acestui fenomen este foarte important controlul cât mai axact al compensării energiei reactive. O baterie de condensatoare fixă plasată într-o instalație în care consumul de putere variază considerabil nu este rentabilă, aceasta riscând să producă fenomenul de supracompensare în anumite situații.

CAPITOLUL IV

Prezentarea platformei de laborator propuse

Lucrarea A1

Compensarea energiei reactive

Tematica lucrării

Studiul instalației de compensare a energiei reactive.

Studiul schemei de control și comandă a bateriilor de condensatoare.

Studiul perturbațiilor de conducție la compensarea energiei reactive.

Studiul tipurilor de sarcini și metodelor de compensare a energiei reactive.

Descrierea instalației

Panoul de control:

Fig.4.1: Vedere fronta Fig.4.2: Vederi laterale

Indicator luminos “POWER ON”;

Comutator pentru introducerea în circuit a bobinei de inducție;

O rezistență variabilă pentru reglarea intensității lămpilor;

Comutator pentru utilizarea uneia sau a trei lămpi cu halogen;

Varmetru “VARLOGIC”;

Leduri pentru indicarea introducerii în circuit a modulelor bateriei de condensatoare;

Oprire de urgență;

Comutator ON/OFF;

Priză de alimentare;

Comutator pentru împământarea mecanismului de protecție a ușii;

Terminale pentru măsură;

Conexiuni scurte;

Mufă de conexiune a părții operative;

Schema de control a bateriei de condensatoare:

Fig. 4.2: Schema de control a bateriei de condensatoare

Cu ajutorul informațiilor generate de transformatorul de curent TI1 plasat la începutul instalației și tensiunea de referință, măsurată cu ajutorul unui releu, este determinat cos(φ) al rețelei. Valoarea acestuia este apoi comparată cu o valoare de prag, cos(φ) = 0.96. Releul varmetrului reacționează în funcție de valoare măsurată în instalație, luând ca referință valoarea de prag. În cazul în care valoare măsurată este mai mică de 0.96, releul varmetrului va introduce în circuit, pe rând, câte unul din cei trei pași de corectare ai bateriei de condensatoare, până în momentul în care cos(φ) ajunge la valoarea dorită. Fiecare pas de corecție are o capacitate de 24.8 µF.

Schema de conectare a analizorului de rețea:

Fig.4.3: Modul de conectare la instalație al analizorului de rețea

Sondele de tensiune sunt conectate la bornele UM amplasate pe partea dreaptă a tabloului de control, iar cleștele pentru citirea valorii curentului este amplasat la bornele IM.

Modul de lucru

Înainte de a fi alimentată instalația, se îndepărtează legăturile I50, I40, I30 poziționate pe partea dreaptă a panoului de control, pentru a bloca introducerea în circuit a bateriilor de condensatoare;

Se alimentează instalația iar cu ajutorul comutatoarelor de selecție al numărului de lămpi, de introducere/scoatere a bobinei de inducție din circuit și cu ajutorul rezistenței variabile de reglare a intensității lămpilor se aleg patru sarcini diferite;

Se urmăresc valorile tensiunii, curentului și cos(φ) afișate atât pe ecranul varmetrului VARLOGIC cât și pe ecranul analizorului de rețea conectat la instalație conform schemei de mai sus (Fig.4.3). Folosind programul Flukeview instalat pe un calculator conectat la analizor, se preiau formele de undă ale tensiunii și curentului din rețea pentru fiecare sarcină folosită;

Se comută analizatorul de rețea pe afișarea de armonici. Se observă graficul armonicilor prezente în rețea și este salvat pe calculator folosind același program ca în cazul formelor de undă ale curentului și tensiunii;

Se întrerupe alimentarea instalației și se reintroduc conexiunile I50, I40, I30 pentru a se putea vizualiza efectul compensării energiei reactive asupra rețelei;

Se alimentează instalația și se repetă măsurătorile pentru cele patru sarcini alese.

Observație:

În anumite cazuri în care forma de undă a curentului nu mai este sinusoidală datorită armonicilor generate, măsurătorile afișate de către varmetrul Varlogic pot diferi ușor de cele oferite de analizatorul folosit. Odată întâlnit acest fenomen se recomandă folosirea datelor afișate de către analizatorul de rețea.

Rezultate.

Valorile măsurate se vor trece in următorul tabel:

Întrebări

Care este diferența între factorul de putere FP și cos(φ) ?

Care sunt dezavantajele unui cos(φ) mic într-o rețea ?

Prezentați pe scurt două metode de compensare a energiei reactive.

Bibliografie

“Reactive energy correction” – Manual tehnic – Schneider electric;

“Reactive energy correction” – Caiet de exerciții – Schneider electric;

Cristina Gabriela Sărăcin – “Instalații electrice”, editura MATRIX ROM București.

CAPITOLUL V

Concluzii

Compensarea puterii reactive constă în injectarea de putere reactivă in rețea având ca scop îmbunătățirea factorului de putere (cosφ), astfel încât acesta să ajungă la o valoare apropiată cu cea a factorului de putere neutru (cosφn =0.92 în România, cosφn =0.96 în instalația folosită în studiul de caz).

Menținerea unui factor de putere ridicat (cos φ ~1) într-o rețea, determină scăderea pierderilor de energie electrică, având ca efect mărirea randamentelor instalațiilor de transport și distribuție a energiei electrice, creșterea fiabilității sistemelor, utilizarea mai bună a rețelelor electrice. De asemenea, un factor de putere mare conduce la reducerea puterii aparente absorbite de consumator și evitarea circulației de putere reactivă pe liniile electrice.

O rețea care funcționează cu un factor de putere scăzut este caracterizată de pierderi de putere și de energie mari, căderi de tensiune mari care creaza dificultăți în creșterea reglajului de tensiune, curenți de scurtcircuit mai mari iar în ceea ce privește puterea activă, o capacitate mai redusă de transport a rețelei electrice.

CAPITOLUL VI

Bibliografie

Schneider electric – Manual tehnic – “Reactive energy correction”;

Schneider electric – Caiet de exerciții – “Reactive energy correction”;

Schneider electric – “Harmonic detection and filtering”;

Schneider electric – “Manualul instalațiilor electrice”, editura Colecția tehnica

Schneider electric – “Varlogic power factor controllers”;

Cristina Gabriela Sărăcin – “Instalații electrice”, editura MATRIX ROM București.

Bibliografie

Schneider electric – Manual tehnic – “Reactive energy correction”;

Schneider electric – Caiet de exerciții – “Reactive energy correction”;

Schneider electric – “Harmonic detection and filtering”;

Schneider electric – “Manualul instalațiilor electrice”, editura Colecția tehnica

Schneider electric – “Varlogic power factor controllers”;

Cristina Gabriela Sărăcin – “Instalații electrice”, editura MATRIX ROM București.