312ebook PL

8/14/2019 312ebook PL

1/16

Harmoniczne

3.1.2

HarmoniczneKondensatory w rodowisku

o duej zawartoci harmonicznych

Wzmocnienierezonansowe

Czstotliwo

8/14/2019 312ebook PL

2/16

Niniejszy Poradnik zosta opracowany jako cz europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jako

Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisj Europejsk (w ramach Programu Leonardo da

Vinci) i Midzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliszych informacji odwied stron LPQI www.lpqi.org.

Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM)

Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacj non-profit, finansowan przez dostawcw miedzi oraz

producentw pragncych zachci odbiorcw do stosowania miedzi i jej stopw oraz promujcych ich prawidowe

i efektywne zastosowanie. Dziaalno Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, ktrzy s

zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum rwnie zapewnia czno midzy jednostkami

badawczymi a przemysem wykorzystujcym mied w produkcji oraz utrzymuje bliskczno z innymi organizacjami zajmujcymisi rozwojem miedzi na caym wiecie.

Europejski Instytut Miedzi (ECI)

Europejski Instytut Miedzi jest spkjoint venture Midzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi

(ICA) i IWCC. ECI, dziki swoim czonkom, zajmuje si w imieniu najwikszych producentw miedzi

na wiecie i czoowych europejskich producentw - promocjmiedzi w Europie. Powstay w styczniu

1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dziki sieci dziesiciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu,

we Francji, w Niemczech, Grecji, na Wgrzech, we Woszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo

rozwija swojdziaalno podjtprzez CDA powstaw 1959 roku oraz dziki INCRA (Midzynarodowemu Towarzystwu Bada

Miedzi) powstaemu w 1961 roku.

Zrzeczenie si odpowiedzialnoci

Niniejszy projekt nie musi odzwierciedla stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakada na Komisj Europejsk adnej

odpowiedzialnoci.

Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekaj si wszelkiej odpowiedzialnoci

za wszelkie bezporednie lub porednie skutki jak rwnie nie przewidziane szkody, ktre mog by poniesione w wyniku uycia

informacji lub nieumiejtnego uycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.

Copyright European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi.

Reprodukcja materiau zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w ca oci i po dania jej rda.

Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakoci Zasilania:

Politechnika Wrocawska Akademia Grniczo-Hutnicza Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska Medcom Sp. z o.o.

HarmoniczneKondensatory w rodowisku o duej zawartoci harmonicznych

Stefan Fassbinder

Deutsches Kupferinstitut

Lipiec 2004

8/14/2019 312ebook PL

3/16

8/14/2019 312ebook PL

4/16

2

Kondensatory w rodowisku o duej zawartoci harmonicznych

Warto energii zgromadzonej w kadym z tych dwch magazynw energii jest okrelona zalenoci:

WD

sspr

= 2

2, W

mv

masy=

2

2

gdzie:

D = wspczynnik sprystoci (stosunek siy do wyduenia, prawo Hookea)

s = wyduenie (chwilowa odlego od pooenia rwnowagi)

m = masa

v = prdko masy

Wielkocis i v naley zapisywa jako funkcje czasu s(t) i v(t), poniewa zmieniajsi okresowo w czasie.

Poczenie bezwadnej masy i elastycznej spryny daje ukad z dwoma elementami, ktre moggromadzi energi.Energia uwalniana z jednego z tych elementw moe przepywa bezporednio do drugiego. Jeeli spryna zostanierozcignita, a nastpnie zwolniona, masa bdzie przyspieszana z sipochodzcod zwolnionej spryny, powraca-

jcej do pooenia rwnowagi. W chwili przejcia siy przez zero spryna jest w stanie rwnowagi, a masa porusza

si z maksymaln prdkoci. Poniewa masa posiada bezwadno, bdzie nadal porusza si ciskajc spryn,a energia bdzie przekazywana z bdcej w ruchu masy z powrotem do spryny. Jeeli magazynami energii skon-densator i cewka indukcyjna, to naprenie w rozciganej lub ciskanej sprynie odpowiada dodatniemu lub ujemne-mu napiciu na kondensatorze, a prdko masy - prdowi, ktry take zmienia biegunowo w regularnych odstpachczasu. Wszystkie zmiany znaku, najpierw napicia, a nastpnie prdu, nastpujw staych odstpach czasu, co wierokresu lub co 90, poniewa wszystkie zmiany tych dwch wielkoci naprenia i prdkoci w modelu mechanicz-nym, a napicia i prdu w modelu elektrycznym zachodzwedug funkcji sinusoidalnej. Zakadajc, e elementy sliniowe i bezstratne, zmian t mona take wyrazi jako przesunicie fazowe o 90, gdy jedna z tych wielkoci jestwtedy funkcjcosinus:

sin2(t) + cos2(t) = 1

Wtedy energia wewntrzna ukadu, dla dowolnej chwili wynosi:

WC

u tL

i t const = + =2 2

2 2( ) ( )

W rzeczywistych elementach wystpujstraty, a przesunicie fazowe prdu wzgldem napicia w elemencie pojemno-ciowym lub indukcyjnym jest nieco mniejsze ni 90. Jeeli elementy seksploatowane w zakresie niewielkich odchy-le kta fazowego od 90, to moc czynna jest maa i straty sniewielkie, a wpyw nieliniowoci materiau rdzenia, jeelidawik jest prawidowo zaprojektowany, jest dla celw technicznych pomijalny.

Jakie sszczeglne waciwoci przebiegu sinusoidalnego?

Sinusoidalne napicia powoduj przepyw sinusoidalnych

prdw, a sinusoidalne prdy wywouj sinusoidalne spadkinapicia. Czy to jest prawdziwe tylko dla przebiegu sinu-soidalnego, czy take dla dowolnej funkcji? Okazuje si, e

jest to szczeglna cecha przebiegu sinusoidalnego. Spjrzmy

na przykady innych przebiegw na rysunkach 1 i 2. Tylkodla elementw rezystancyjnych chwilowe wartoci napi s

proporcjonalne do chwilowych wartoci prdw, tak, e na-picie o dowolnym przebiegu wytwarza prd o takim samymksztacie i odwrotnie. Dla odbiornikw reaktancyjnych (np.w przypadku indukcyjnociL) napicie chwilowe jest propor-cjonalne do szybkoci zmiany prdu wzgldem czasu (di/dt)lub (w przypadku pojemnoci C) prd jest proporcjonalny do

szybkoci zmiany napicia wzgldem czasu (du/dt). To samozachodzi dla przebiegu sinusoidalnego i kosinusoidalnego.

Rys. 1. Napicie prostoktne wywouje trapezowy

przebieg prdu w idealnym (bezstratnym) dawiku

Napicie prostoktne

Prd w dawiku L

8/14/2019 312ebook PL

5/16

3


Sinusoidalne napicia i prdy majtaki sam ksztat dla elementw rezystancyjnych i biernych, lecz sprzesunite w fa-zie. Dla elementw biernych napicie jest proporcjonalne do szybkoci zmiany prdu, ale szybko zmiany sinusoidyokrela funkcja kosinus, ktra ma taki sam ksztat, a tylko inny punkt pocztkowy. Poniewa punkt pocztkowy napii prdw w sieci zasilajcej znajduje si gdzie w przeszoci, ktra nie jest przedmiotem zainteresowania, obserwujemy,e sinusoidalne napicia powodujprzepyw sinusoidalnych prdw, a sinusoidalne prdy wywoujsinusoidalne spadkinapicia, przesunite wzajemnie w fazie.

Co to jest moc bierna?

W odbiornikach rezystancyjnych chwilowe wartoci prdu i napicia swzajemnie proporcjonalne (rys. 4), natomiastw elementach biernych tak nie jest (rys. 6). W tym ostatnim przypadku ksztat przebiegu obu wielkoci jest sinusoidalny,

lecz wystpuje midzy nimi przesunicie fazowe. Std w kadym okresie przebiegu przemiennego wielkoci te majten sam znak w dwch przedziaach czasu, natomiast w pozostaych dwch przedziaach ich znaki srne. W okresach

przeciwnej polarnoci napicia i prdu, ich iloczyn, tj. moc, ma znak ujemny, tak wic de facto odbiorca energii elektrycz-nej chwilowo zasila sie. Energia elektryczna pobrana wier okresu wczeniej nie zostaa zuyta (przeksztacona nainnform energii, np. ciepo), lecz zostaa zmagazynowana i jest teraz zwracana do sieci. Rzeczywista czynna energia

przekazywana w kadym penym okresie jest rwna cace z mocy, to jest powierzchni pod krzyw iloczynu napiciai prdu (powierzchnie zacieniowane na rysunkach), przy czym powierzchnie znajdujce si pod osiodcitych odejmujesi od powierzchni nad osi. Moc bierna skadowej podstawowej przyjmuje wic form oscylacji energii midzy rdema odbiornikiem.

Jak dotd, denicja mocy biernej, w zastosowaniu do napi sinusoidalnych i odbiornikw biernych, jest relatywnieprosta. Jednak moc bierna wystpuje take w odbiornikach rezystancyjnych sterowanych fazowo. Pewien autor w nie-mieckim czasopimie elektrotechnicznym twierdzi, e tego rodzaju odbiornik (np. arwka ze ciemniaczem) nie powo-duje obecnoci mocy biernej, poniewa w caym okresie przebiegu nie ma przedziaw czasu, w ktrych napicie i prd

Rys. 2. Prd o przebiegu trjktnym

pyncy przez kondensator

Rys. 3. Sinusoidalne napicia wywouj

w elementach biernych kosinusoidalne prdy

Prd o przebiegu trjktnym

Napicie na kondensatorze C

u(t) = sin(t)

iL(t) = cos(t)

iC(t) = cos(t)

Rys. 6. Obcienie indukcyjneRys. 4. Obcienie rezystancyjne Rys. 5. Obcienie

rezystancyjno-indukcyjne

8/14/2019 312ebook PL

6/16

4


miayby przeciwnbiegunowo. Sprowokowa tym lawin gosw sprzeciwu wrd czytelnikw, ktrzy odwoujc sido analizy Fouriera wskazywali, e skadowa podstawowa prdu odbiornika sterowanego fazowojest opniona w faziewzgldem napicia, jest zatem ewidentne, e moc bierna w tym przypadku wystpuje. Obydwa pogldy wydajsi lo-giczne, ale ktry z nich jest prawdziwy?

Wyjanienie podaje rysunek 7. Spjrzmy po prostu z punktu widzenia odbiornika (grny rzd na rys. 7). Nie ma tu mocybiernej prd jest w fazie z napiciem (mimo odksztacenia przebiegu) i wspczynnik przesunicia fazowego jest rwnyjednoci. Ale wszystkie odbiorniki funkcjonujwe wsplnej sieci i powinny by badane z perspektywy sieci, jak to po-kazuje dolny rzd na rysunku 7. Przebieg napicia nadal jest sinusoidalny, ale wspczynnik przesunicia fazowego jestteraz indukcyjny i wynosi 0,8 (zob. pomiary mocy czynnej, pozornej i biernej).

Dlaczego kompensowa

W normalnej sieci pracuje rwnoczenie wiele odbiornikw. Wiele z nich to odbiorniki rezystancyjne. Niektre posiadajskadowpojemnociow, gdzie prd wyprzedza przebieg napicia, inne za - skadowindukcyjn, gdzie prd spniasi w stosunku do przyoonego napicia. W wikszoci sieci przewaajodbiorniki rezystancyjno-indukcyjne, take su-maryczny prd ma charakter rezystancyjno-indukcyjny (rys. 5). Te ustawiczne i niepodane oscylacje energii oznaczaj

przepyw dodatkowych prdw, ktre zwikszajobcienie przewodw i transformatorw, powodujdodatkowe stratyczynne i wykorzystujznaczncz zdolnoci transformacji energii. Zatem zasadniczym celem kompensacji jest:

! zmniejszenie zapotrzebowania na zdolno przesyow,

! uniknicie strat energii powodowanych przez dodatkowe prdy,

! uniknicie dodatkowych spadkw napicia powodowanych przez dodatkowe prdy w sieci rozdzielczej.Te dodatkowe spadki napicia w sieci sistotne, przepyw bowiem prdu biernego w rezystancji powoduje rzeczy-wiste straty mocy. Nawet gdy impedancja jest w znacznym stopniu bierna, nage zmiany prdu mogpowodowa

Rys. 7. Czy odbiornik rezystancyjny, sterowany fazowo, pobiera moc biern? Z punktu widzenia sieci

zasilajcej rzeczywicie wystpuje tu dodatkowe oddziaywanie na sie, natomiast nie zachodzoscylacje

energii midzy rdem a odbiornikiem, ktre przez niektrych specjalistw suwaane za niezbdny

warunek istnienia mocy biernej

8/14/2019 312ebook PL

7/16

5


wahania napicia i migotanie wiata. Przykadem takiej sytuacji moe by dwig budowlany przyczony do sto-sunkowo maego transformatora rozdzielczego w czasie wznoszenia nowego budynku w dzielnicy mieszkaniowej.Dwigi takie s zwykle napdzane trjfazowymi silnikami indukcyjnymi, sterowanymi przekanikowo, ktre sczsto zaczane (rozruch) lub przeczane z maej prdkoci na duoraz z kierunku pracy w d na kierunek dogry. Prdy rozruchowe takich silnikw nie tylkos bardzo due - kilkakrotnie przekraczaj prdznamionowy - ale maj take du skadowindukcyjn, a wspczynnik mocy wynosi okoocos = 0,3, a dla wikszych maszyn jest nawetmniejszy. Take spadek napicia na transforma-torze ma w znacznym stopniu charakter induk-

cyjny, a jego kt fazowy jest mniej wicej takisam jak kt fazowy prdu rozruchowego silnika,zatem znacznie bardziej zwiksza efekt migota-nia wiata ni prd o takiej samej wartoci po-

bierany przez odbiornik rezystancyjny (rys. 8).

To take oznacza, e migotanie wiata monaatwo zagodzi przez wczenie kondensatoraw celu skompensowania skadowej indukcyjnej

prdu rozruchowego silnika.

Jak kompensowa moc biernw istniejcych warunkach

Regulacja mocy biernej

Kompensacja mocy biernej jest zwykle podana. Mona j atwo zrealizowa, doczajc rwnolegle do odbiornikao charakterze indukcyjnym odpowiednio dobrany kondensator, aby zredukowa skadow indukcyjn. Tak wic, gdy

element pojemnociowy oddaje zgromadzonw nim energi do sieci, element indukcyjny pobiera j, i odwrotnie, gdydla dowolnej chwili czasu prdy indukcyjny i pojemnociowy pynw przeciwnych kierunkach. W ten sposb cakowity

prd zostaje zmniejszony przez dodanie obcienia. Taka kompensacja jest okrelana jako rwnolega.

Prawidowa kompensacja wymaga znajomoci wielkoci obcienia indukcyjnego w instalacji, gdy inaczejmona doprowadzi do przekompensowania. W takiej sytuacji instalacja staaby si odbiorem rezystancyjno-

pojemnociowym, co w skrajnych przypadkach moe by nawet gorsze ni zupeny brak kompensacji. Jeeliobcienie a dokadniej jego skadowa indukcyjna zmienia si, potrzebny jest kompensator o regulowanej

pojemnoci. Zwykle osiga si to przez podzia baterii na sekcje i zaczanie lub odczanie sekcji za pomocprzekanikw. Powoduje to oczywicie udary prdu i zwizane z tym zuywanie si stykw, ryzyko zespawaniastykw oraz indukowanie napi w rwnolegle biegncych przewodach sterowniczych i liniach komunikacjidanych. Naley uwanie wybiera chwil zaczenia; podanie napicia na cakowicie rozadowany kondensator

w chwili, gdy napicie sieci osi

ga warto

szczytow

, powoduje pr

d

czeniowy rwny prdowi zwarcia. Cogorsze, jeeli zaczenie nastpuje w krtkim odstpie czasu po wyczeniu, kondensator moe by naadowany

prawie do penego napicia o przeciwnej biegunowoci ni napicie sieci, co spowoduje prd czeniowy o war-toci bliskiej dwukrotnemu szczytowemu prdowi zwarcia w instalacji! Jeeli dua liczba odbiornikw z zasila-czami impulsowymi (SMPS) jest uytkowanych w tej samej sieci, to wtedy ponowne zaczenie naadowanegokondensatora kompensujcego powoduje, e praktycznie bez adnej impedancji poredniczcej zasila on duliczb roz adowanych kondensatorw w obwodach zasilaczy. Powstay w wyniku tego prd pynie przez bardzokrtki czas, ale jego warto szczytowa jest bardzo dua i znacznie przewysza prd zwarciowy. Istniejczstedoniesienia o uszkodzeniach urzdze, szczeglnie stykw stycznikw czcych sekcje baterii kondensatorw,ktrych przyczynskrtkie przerwy w zasilaniu, powodowane automatycznymi operacjami czeniowymi SPZna liniach napowietrznych wysokiego lub redniego napicia. Czsto spotyka si pogld, e tego rodzaju podwo-

jenie wartoci szczytowej prdu nie moe wystpi, jeeli kondensatory swyposaone w rezystory wyadowcze,

zgodnie z norm IEC 831 (PN-EN 60831-1:2000). Rezystory te nie maj jednak wikszego wpywu podczaskrtkich przerw w zasilaniu, trwajcych od kilkudziesiciu milisekund do kilku sekund, gdy norma wymaga, abynapicie spado do mniej ni 75 V po upywie 3 minut.

Rys. 8. Napicie strony wtrnej transformatora (630 kVA HD 428)

dla obcienia rezystancyjnego, indukcyjnego i pojemnociowego

Napicie wyjciowe dla obcienia pojemnociowego

Napicie wyjciowe dla obcienia rezystancyjnego

Napicie wyjciowe dla obcienia indukcyjnego

Obcienie wzgldne S/SN

UN

(%)

8/14/2019 312ebook PL

8/16

6


Jeeli w chwili powtrnego zaczenia kondensatora na napicie sieci, warto napicia resztkowego na kondensatorzebdzie rwna wartoci napicia zasilania, to prd czeniowy nie wystpi. Jest to suszne dla przypadku, gdy kondensator jest traktowany jako czysta pojemno, a rdo przyoonego napicia jako idealne rdo napiciowe, tj. o zerowejimpedancji. Jeeli natomiast uwzgldnimy indukcyjno wasnsieci, to midzy pojemnocii tindukcyjnocimogwystpi oscylacje. Rozwamy nastpujcy przypadek: napicie resztkowe kondensatora wynosi poow wartoci szczy-towej, jest zatem rwne chwilowej wartoci napicia sieci dla 45 po ostatnim przejciu napicia przez zero, tj.

u u V V C =

= =

4400

2

2283

Mona oczekiwa, e dla tej chwili prd kondensatora wyniesie:

ii

c=

2

ale jego warto bdzie inna, poniewa a do tej chwili kondensator pozostawa odczony. Jeeli pominlibymy indukcyj-no ukadu, to w chwili zaczenia prd narsby skokowo do tej wartoci, a nastpnie nie zaszoby nic innego ni w stanieustalonym. Poniewa jednak rzeczywisty ukad nie jest wolny od indukcyjnoci, prd najpierw powoli osignie t warto,a nastpnie przyspieszy i z powodu indukcyjnoci i jej inercji blisko dwukrotnie przekroczy spodziewanwarto

ustalon. Nastpnie bdzie opada z powrotem i kontynuowa przebieg w postaci krtkiej serii oscylacji, ktre mogzostastumione do zera w cigu jednego okresu napicia sieci od chwili zaczenia. Poniewa indukcyjno sieci jest maa, cz-stotliwo oscylacji moe by znaczna i mogone powodowa zakcenia pracy urzdze w instalacji. Narastanie prdumoe przebiega bez oscylacji tylko wtedy, gdy kondensator zostanie zaczony w chwili, w ktrej wartoci napicia siecii napicia resztkowego kondensatora srwne, tzn. w punktach odpowiadajcych zerowej wartoci prdu.

Mwic dokadniej, muszby spenione dwa warunki. Po pierwsze, suma napi na pojemnoci i reaktancji szeregowej(pasoytniczej lub wynikajcej z odstrojenia) musi by rwna napiciu sieci zasilajcej. Ta rwno napi musi nastpiw chwili, gdy w stanie ustalonym rozwaanego obwodu warto prdu jest rwna zeru. Drugi warunek jest spenionytylko dla szczytowej wartoci napicia sieci zasilajcej, ktre musi by rwne napiciu kondensatora. W tym celu kon-densator jest wstpnie adowany z pomocniczego rda zasilania. Wtrna korzy z takiego postpowania polega natym, e w kondensatorze jest zawsze zgromadzona maksymalna moliwa energia, ktra w chwili zaczenia moe pomc

w zagodzeniu ewentualnego szybkiego zapadu napicia i wynikego std migotania wiata.Przekaniki i styczniki sjednak zbyt wolne, a ich dziaanie nie jest wystarczajco precyzyjne, dla dokonywania czew okrelonym punkcie przebiegu. Stosujc ukady przekanikowe naley uy odpowiednich rodkw w celu obnie-nia szczytowej wartoci prdu czeniowego, takich, jak rezystory ograniczajce lub dawiki odstrajajce. Te ostatniesczsto stosowane take z innych powodw (p. Zeszyt 3.3.1 niniejszego Poradnika), czasami s rwnie wymagane

przez zakady energetyczne. Chocia szeregowy dawik powoduje, e udar prdowy przy zaczeniu zostaje zastpionyprzepiciem przy odczeniu, to i tak jest to mniejsze zo, gdy moc znamionowa dawika jest zaledwie uamkiem mocyznamionowej kondensatora, zatem energia bdca do dyspozycji jest mniejsza.

Dziki atwoci sterowania, czniki pprzewodnikowe, np. tyrystory, mogby wykorzystane do czenia synchronizo-wanego wzgldem okrelonego punktu na przebiegu napicia zasilajcego. Mona rwnie sterowaczeniem tak, abyzmniejsza wahania napicia powodowane przez niespokojne odbiorniki duej mocy o charakterze indukcyjnym, takie,

jak wczeniej wspomniane silniki dwigw, piec ukowy czy zgrzewarka punktowa.Alternatywnym rozwizaniem, czsto stosowanym w niektrych krajach Europy, jest kompensacja za pomocstaej ba-terii kondensatorw poczonej rwnolegle z dawikiem sterowanym cznikiem tyrystorowym (FC/TCR).

Kompensacja centralna czy indywidualna

Powodem, dla ktrego komercyjni odbiorcy energii elektrycznej zwykle stosujkompensacj, jest to, e niektre zakadyenergetyczne obciajuytkownikw opatza moc biernaby uzyska rekompensat za niepotrzebne uytkowaniesieci rozdzielczej i chocia opata ta nie jest tak wysoka, jak za moc czynn, stanowi jednak znaczcy koszt. W niektrychkrajach praktyka pobierania opat za moc biernzanika i kompensacja wspczynnika mocy staje si mniej powszechna.Uytkownicy energii elektrycznej widzw tym pewnkorzy, ale w istocie rzeczy powoduje to zwikszenie obcienia

systemu energetycznego, ktry czsto pracuje na granicy maksymalnego obcienia.Tradycyjne rozwizanie polega na umieszczeniu duego statycznego kompensatora w punkcie wsplnego przyczenia(w miejscu dostarczania energii) i korekcji wspczynnika mocy w tym miejscu do takiego poziomu, aby unikn opat,

8/14/2019 312ebook PL

9/16

7


zwykle do cos = 0,90 lub cos = 0,95. Alternatywnym rozwizaniem jest rozmieszczenie urzdze kompensujcychw pobliu odbiornikw o charakterze indukcyjnym, a w skrajnym przypadku - przy samym urzdzeniu, ktre pobiera

prd bierny.

Kompensacja centralna jest czsto uwaana za tasz, poniewa koszty nabycia jednostki centralnej snisze ni roz-

mieszczanie na obszarze zakadu jednostek rozproszonych o takiej samej sumarycznej mocy biernej. Moc zainstalowanajednostki centralnej moe by nisza, poniewa mona zakada, e nie wszystkie odbiorniki pobierajce prd biernybdczynne rwnoczenie. Naley jednak pamita, e prdy bierne powodujw instalacji rzeczywiste spadki napicia.Spadek napicia na elemencie rezystancyjnym, np. kablu, jest w fazie z prdem, a zatem ich iloczyn straty mocy jestzawsze dodatni. Kompensacja centralna nie powoduje zredukowania tych strat, zmniejsza tylko opaty za niedotrzymaniewartoci wspczynnika mocy, ustalonej przez dostawc energii. Z drugiej strony, jeeli kompensacja jest rozproszona,to sumaryczny koszt indywidualnych jednostek bdzie wyszy ni koszt pojedynczej duej jednostki centralnej i zazwy-czaj cakowita zainstalowana moc kompensacji bdzie take wiksza kade urzdzenie ma swj ukad kompensacji,niezalenie od tego, czy jest uytkowane, czy nie. Straty smniejsze, poniewa prd bierny przepywa tylko pomidzyindywidualnym kompensatorem a urzdzeniem, a nie do centralnego kompensatora w punkcie wsplnego przyczenia.

Niezalenie od sprawnoci, stake techniczne argumenty za i przeciw kompensacji centralnej. Jeeli, na przykad, sumaryczneobcienie transformatora jest pojemnociowe, to napicie wyjciowe wzrasta ponad warto znamionow. Ten efekt jest czasamiwykorzystywany do skompensowania spadku napicia w silnie obcionym transformatorze. Odbiory spo prostu przekompen-sowane tak, e cakowite obcienie transformatora ma charakter pojemnociowy, co powoduje zmniejszenie indukcyjnego spad-ku napicia w transformatorze [1]. W przypadkach czstego czenia odbiornikw duej mocy, ktre powodujwahania napiciai migotanie wiata, takie rozwizanie moe by bardziej pewne i odporne ni energoelektroniczny kompensator waha napicia,moe by take znacznie bardziej opacalne, jeeli istnieje take potrzeba kompensacji mocy biernej.

Na og jednak, wzrost napicia na transformatorze w warunkach obcienia pojemnociowego oznacza ryzyko, ktregoalbo naley unika, albo je minimalizowa, np. przez prawidowy dobr transformatora o nieco wyszym napiciu zna-mionowym (6%). Jeeli zachodzi potrzeba stosowania kompensacji na poziomie redniego napicia, to przyczeniekondensatorw niskiego napicia poprzez transformator SN/nn jest korzystniejszym rozwizaniem ni ponoszenie wy-sokich kosztw kondensatorw redniego napicia. W takim przypadku obcienie transformatora jest pojemnociowei jego napicie jest wysze. Problem ten mona rozwiza drogdoboru elementw o odpowiednich napiciach znamio-

nowych albo przekadni transformatora, lub za pomocodczepw. To ostatnie jest lepszym rozwizaniem, gdy pozwalaunikn pracy transformatora w stanie nasycenia i w konsekwencji wyszych strat. W sumie moe si okaza, e jest to

pozorna oszczdno, bo chocia koszt instalacji jest mniejszy - rosnkoszty eksploatacji. W tym rozwizaniu prd bier-ny jest transformowany dwukrotnie: z instalacji niskiego napicia do sieci redniego napicia i z sieci redniego napiciado kondensatora niskiego napicia, a odbiorca podwjnie paci za straty obcienia.

Pozostae niedogodnoci wynikajce z mocy biernej tzn. wykorzystanie moliwoci transmisyjnych i spadek napicia,wystpujrwnie wewntrz zakadu, na kadej linii i na kadym transformatorze, pomidzy odbiornikiem o charakterzeindukcyjnym a kompensatorem. Lepiej wyda 100% dostpnych rodkw, ktrych wykorzystanie wyniesie 100%, niwyda 75% rodkw, ktre dadztylko 50% efektw.

W ukadzie kompensacji indywidualnej kady, nawet may, odbiornik o charakterze indukcyjnym moe by skompenso-wany przez doczenie do niego kondensatora. Mona to z powodzeniem zrealizowa np. w oprawach owietleniowych

zawierajcych jedn lub dwie lampy uorescencyjne i balasty magnetyczne. W Niemczech i Szwajcarii ta metoda jestczsto stosowana jako kompensacja szeregowa: jeden z dwch obwodw zawierajcych lamp i balast pozostaje nieskompensowany, podczas gdy drugi jest przekompensowany za pomocszeregowego kondensatora dobranego tak, aby

pobiera prd o dokadnie tej samej amplitudzie co ga nie skompensowana, lecz w przeciwnej fazie.

Kompensacja indywidualna ma jednak swoje ograniczenia w sytuacjach, kiedy silnik indukcyjny jest kompensowany

lokalnie. Jeeli kondensator jest umiejscowiony przed wycznikiem silnika, to po wyczeniu silnika pozostaje on za-czony, powodujc przekompensowanie ukadu. Jeeli natomiast kondensator jest umiejscowiony za wycznikiem silnikaw taki sposb, e jest odczany razem z silnikiem, to istnieje ryzyko wzbudzenia silnika, gdy zmniejsza on prdko powyczeniu. Silnik wytwarza wtedy napicie, mimo e urzdzenie zostao odczone od zasilania, a przy niewaciwymdoborze kondensatora moe nawet wystpi wzrost napicia.

Powinno by teraz jasne, e moc bierna nie zawsze jest zjawiskiem niepodanym. Aby skompensowa indukcyjnmocbiern, naley generowa odpowiedni ilo mocy biernej o charakterze pojemnociowym, i odwrotnie - w przypadkach,gdy przewaa obcienie o charakterze pojemnociowym, naley generowa indukcyjnmoc biern. Moc bierna o charak-terze pojemnociowym jest korzystna i powoduje zmniejszenie strat w przypadku wzbudzenia generatorw asynchronicz-

8/14/2019 312ebook PL

10/16

8


nych, np. w turbinach wiatrowych lub rdach skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej, jeeli sbezporednio przy-czone do sieci. W sytuacjach, gdy tego rodzaju generatory majzasila sie pracujcwyspowo, obecno tej mocy stajesi absolutnie niezbdna do zapewnienia wzbudzenia, bez ktrego maszyna nie mogaby generowa energii elektrycznej.

Odstrajanie

Odstrajaniepolega na doczaniu szeregowego dawika do kadego kondensatora kompensujcego. Jeden z powodwodstrajania, tj. ograniczenie prdu czeniowego, by ju wczeniej omawiany. Jednak zasadniczprzyczyn, dla ktrejwszyscy dostawcy kompensatorw i wikszo zakadw energetycznych zalecajodstrajanie, a wielu odbiorcw energii

je stosuje, jest problem zaburze napicia w sieci. Nowoczesne odbiorniki elektroniczne pobierajc prdy harmoniczne,powoduj harmoniczne zaburzenia napicia (p. Zeszyt 3.1 niniejszego Poradnika) i wprowadzaj do sieci skadowewysokiej czstotliwoci. Poniewa reaktancja kondensatora jest odwrotnie proporcjonalna do czstotliwoci, wysokieczstotliwoci mogspowodowa przekroczenie znamionowego prdu kondensatora. Zapobiega temu obecno dawikaodstrajajcego. Dawik jest zwykle wymiarowany na znamionowmoc biernwynoszc5%, 7% lub 11% mocy biernejkondensatora kompensujcego. Wielko ta jest rwnie nazywana wspczynnikiem odstrojenia.

Interpretacja danych znamionowych budzi czasem istotne wtpliwoci, a mianowicie: czy moc bierna podawana na tabliczceznamionowej odnosi si do znamionowego napicia sieci czy do znamionowego napicia kondensatora, ktre jest wysze, orazczy wspczynnik odstrojenia zosta uwzgldniony, czy nie. W rzeczywistoci moc bierna powinna by zawsze podawana dlacaego zespou kompensator-dawik odstrajajcy, przy znamionowym napiciu zasilania i czstotliwoci podstawowej.

Poniewa reaktancja dawika ronie, a reaktancja kon-densatora maleje proporcjonalnie do czstotliwoci towspczynnik odstrojenia, ktry dla 50 Hz wynosi 11%,wzronie przy 150 Hz do 100%1. Reaktancja indukcyjna

jest wtedy rwna pojemnociowej, co oznacza, e elemen-ty te sw rezonansie i sumarycznareaktancja jest rwnazeru. Daje to moliwo doboru wspczynnikw odstro-

jenia w taki sposb, aby eliminowa z sieci wybrane har-

moniczne przez utworzenie dla nich drogi o impedancjibliskiej zeru. Szerzej zostao to opisane w Zeszycie 3.3.1niniejszego Poradnika. W celu ochrony kondensatora,

a take dawika, przed przecieniem naley unika takie-go doboru wspczynnika odstrojenia, dla ktrego czsto-tliwo rezonansowa jest zgodna z jednz dominujcychczstotliwoci harmonicznych. Wspczynnik odstrojenia

powinien by raczej tak dobrany, eby obwd kondensa-tor-dawik mia charakter indukcyjny dla czstotliwocinieco niszych od najniszej wystpujcej harmonicznejoraz dla czstotliwoci wyszych od niej (rys. 9). Pozwalato unikn rezonansu (rys. 10), ktry mg by wystpi

midzy pojemnoci kondensatora a innymi elementa-mi ukadu, szczeglnie indukcyjnociami rozproszenianajbliszego transformatora. Rezonans taki moe by

pobudzony przez ktr z harmonicznych. Rysunek 10 podaje wartoci wspczynnika wzmocnienia w funkcjiczstotliwoci. Przez wspczynnik wzmocnienia naleytu rozumie stosunek wartoci moduu impedancji widzia-nej z zaciskw kompensowanego odbiornika w ukadziez kompensatorem i bez kompensatora.

Nie jest to jedyny powd odstrajania. Obecnie kondensatory mogatwo ulega przecieniu prdami wywoanymi przezwystpujce w sieci skadowe o wyszych czstotliwociach. Napicia o wysokiej czstotliwoci - nawet jeeli ich wartoci

sniewielkie i mogpozosta niezauwaone na przebiegach napi rejestrowanych za pomocwysokiej klasy analizatorwsieci (rys. 11) - nakadajc si na napicie zasilajce mogpowodowa przepyw duych prdw w kondensatorach.

Rys. 9. Charakterystyki rezonansowe dla rnych kom-

pensatorw o rnych mocach, od 50 kVAr (krzywa 1)

do 400 kVAr (krzywa 8), pracujcych z transformatorem

1250 kVA (Frako)

Rys. 10. Charakterystyki rezonansowe dla kompensato-

rw odstrojonych, o mocach od 50 kVAr (krzywa 1)

do 400 kVAr (krzywa 8), pracujcych z transformatorem

1250 kVA (Frako)


Czstotliwo


Czstotliwo

1 przy 50 Hz reaktancja XL

= 11%, przy 150 Hz XL

= 33% i jest rwna reaktancji XC

= 33% dla 150 Hz, zatem wspczynnik odstrojenia wynosi 100%.

8/14/2019 312ebook PL

11/16

9


Lewa strona rysunku przedstawia dziaanie lampy uorescencyjnej z balastem magnetycznym, bez kompensacji. Duamoc bierna wymaga jednak kompensacji za pomockondensatora. Po prawej - prd w ukadzie lampy (szeregowe po-czenie lampy z balastem, zbocznikowane przez odpowiedni kondensator) zupenie nie odpowiada przebiegowi sinuso-idalnemu. Dodatkowe, wysokoczstotliwociowe skadowe prdu muszprzepywa przez kondensator, poniewa, jak

potwierdzajpomiary, w instalacji nie zaszy adne zmiany. Przebieg prdu na rysunku z lewej jest bliski sinusoidalnemu,std rnica midzy wspczynnikiem mocy (nazywanym rwnie wspczynnikiem odbiornikaLF) a wspczynnikiem

przesunicia fazowego cos jest maa, natomiast dla przebiegu na rysunku z prawej jest znaczna. Przyczyna ley w tym,e wspczynnik mocy jest stosunkiem mocy czynnej (50 Hz) do mocy pozornej, z uwzgldnieniem mocy biernej ska-dowej podstawowej i mocy harmonicznych, podczas gdy dobrze znany cos - wspczynnik przesunicia fazowego- uwzgldnia tylko moc biernskadowej podstawowej, wynikajcz przesunicia fazowego pomidzy napiciem i ska-dowpodstawowprdu. Kondensator jest przeznaczony do przewodzenia prdu biernego (z lewej), ale jeeli nie jestodstrojony, stanowi rwnie drog przepywu dla prdw harmonicznych (z prawej). Jest to drugi powd, dla ktregoodstrajanie jest obecnie powszechnie stosowane. Wida take, e odstrojenie moe mie istotne znaczenie dla czasu yciakondensatora zaprojektowanego dla czstotliwoci 50 Hz. Tego rodzaju eksperyment mona z podobnymi wynikami

powtrzy prawie w kadej wspczesnej sieci. Wczenie kondensatora na napicie sieci i zarejestrowanie przebieguprdu wszdzie da podobne wyniki. Due wraenie moe zrobi przepuszczenie prdu kondensatora przez odpowiedniodobrany gonik. Dwik jest naprawd okropny, ale po odstrojeniu kondensatora dawikiem z powrotem zmienia siw spokojne brzczenie 50 Hz.

Podany przykad wskazuje, e wyej opisana praktyka szeregowego czenia dawika z kondensatorem jest korzystnaw przypadku lamp uorescencyjnych, gdy ilustruje sposb kompensacji pojemnociowej ze wspczynnikiem odstroje-nia 50%, z wykorzystaniem ju istniejcego dawika.

Wnioski

Dla zrozumienia istoty kompensacji naley przede wszystkim zrozumie komplementarne dziaanie indukcyjnoci Li pojemnoci C. Kondensatory kompensujce powinny by zawsze odstrojone w celu uniknicia rezonansu przy czsto-tliwociach harmonicznych i przecienia prdami wysokiej czstotliwoci. Kompensatory o regulowanej pojemnoci

powinny by projektowane z przeznaczeniem do szybkiego czenia za pomoccznikw pprzewodnikowych, z wy-korzystaniem inteligentnych algorytmw. Naley take rozway, czy z punktu widzenia optymalnego rozmieszczeniakompensatorw kompensacja ma by centralna, czy indywidualna.

RDA I BIBLIOGRAFIA

[1] Wolfgang Just: Blindleistungs-Kompensation in der Betriebspraxis,VDE Verlag, Offenbach, Germany, 1991 (obecnie Wolfgang

Hofmann opracowuje wydanie poprawione).

Rys. 11. Lampauorescencyjna o mocy 11 W bez kompensacji (po lewej)

i z kompensacjrwnoleg(po prawej)

8/14/2019 312ebook PL

12/16

10

Notatki

8/14/2019 312ebook PL

13/16

11

Notatki

8/14/2019 312ebook PL

14/16

12

Notatki

8/14/2019 312ebook PL

15/16

Partnerzy gwni i referencyjni

Zesp redakcyjny

David Chapman (Chief Editor) CDA UK [email protected]

Prof Angelo Baggini Universit di Bergamo [email protected]

Dr Araceli Hernndez Bayo ETSII - Universidad Politcnica de Madrid [email protected]

Prof Ronnie Belmans UIE [email protected]

Dr Franco Bua ECD [email protected]

Jean-Francois Christin MGE UPS Systems [email protected]

Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra [email protected]

Hans De Keulenaer ECI [email protected]

Gregory Delaere Lemkco [email protected]

Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen [email protected]

Dr ir Marcel Didden Laborelec [email protected]

Dr Johan Driesen KU Leuven [email protected]

Stefan Fassbinder DKI [email protected]

Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Grniczo-Hutnicza [email protected]

Stephanie Horton LEM Instruments [email protected]

Dr Antoni Klajn Politechnika Wrocawska [email protected]

Prof Wolfgang Langguth HTW [email protected]

Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd [email protected]

Prof Henryk Markiewicz Politechnika Wrocawska [email protected]

Carlo Masetti CEI [email protected]

Mark McGranaghan EPRI PEAC Corporation [email protected]

Dr Jovica Milanovic UMIST [email protected]

Dr Miles Redfern University of Bath [email protected]

Dr ir Tom Sels KU Leuven [email protected]

Prof Zbigniew Styczynski Universitt Magdeburg [email protected]

Andreas Sumper CITCEA [email protected]

Roman Targosz PCPM [email protected]

Hans van den Brink Fluke Europe [email protected]

European Copper Institute (ECI)

www.eurocopper.org

ETSII - Universidad Politcnica de Madrid

www.etsii.upm.es

LEM Instruments

www.lem.com

Akademia Grniczo-Hutnicza (AGH)

www.agh.edu.pl

Fluke Europe

www.fluke.com

MGE UPS Systems

www.mgeups.com

Centre dInnovaci Tecnolgica en Convertidors

Esttics i Accionaments (CITCEA)

www-citcea.upc.es

Hochschule fr Technik und Wirtschaft (HTW)

www.htw-saarland.de

Polskie Centrum Promocji Miedzi (PCPM)

www.miedz.org.pl

Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)

www.ceiuni.it

Hogeschool West-Vlaanderen

Departement PIH

www.pih.be

University of Bath

www.bath.ac.uk

Copper Benelux

www.copperbenelux.org

Istituto Italiano del Rame (IIR)

www.iir.it

Universit di Bergamo

www.unibg.it

Copper Development Association (CDA UK)

www.cda.org.uk

International Union for Electricity Applications (UIE)

www.uie.org

Utto-Von-Guericke-Universitt Magdeburg

www.uni-magdeburg.de

Deutsches Kupferinstitut (DKI)

www.kupferinstitut.de

ISR - Universidade de Coimbra

www.isr.uc.pt

University of Manchester Institute of Science and

Technology (UMIST)

www.umist.ac.ukEngineering Consulting & Design (ECD)

www.ecd.it

Katholieke Universiteit Leuven

(KU Leuven)

www.kuleuven.ac.be

Politechnika Wrocawska

www.pwr.wroc.pl

EPRI PEAC Corporation

www.epri-peac.com

Laborelec

www.laborelec.com

8/14/2019 312ebook PL

16/16

Deutsches Kupferinstitut

Am Bonneshof 5

D-40474 Dsseldorf

Germany

Tel: 00 49 211 4796300

Fax: 00 49 211 4796310

Email: [email protected]

Web: www.kupferinstitut.de

Stefan Fassbinder

Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o.

50-136 Wrocaw

pl. 1 Maja 1-2

Polska

Tel: 00 48 71 78 12 502

F 00 48 71 78 12 504

European Copper Institute

168 Avenue de Tervueren

B-1150 Brussels

Belgium

Tel: 00 32 2 777 70 70

F 00 32 2 777 70 79

312ebook PL

Documents

Transcript of 312ebook PL