Kompenzace jalového výkonu
Měření kvality elektrické energie

+420 777 730 002

Základy kompenzace

Základy kompenzace

Prvky rozvodné soustavy (zdroje, vedení, transformátory, spotřebiče, spínací a jistící komponenty) jsou obecně vzato impedance a jejich náhradní schéma můžeme sestavit pomocí základních elementů - rezistor, indukčnost, kapacita (R, L, C, G). Jak je všeobecně známo, střídavá elektrická energie se nedá akumulovat a teče z místa jejího přebytku (zdroj) do místa jejího nedostatku (spotřebič). Na elementech spojovací cesty (vedení, pojistky, spínače, …) potom v důsledku protékajícího proudu vznikají úbytky na napětí a ztráty “Jouleovým” teplem. Veškeré komponenty této přenosové cesty musí být dimenzovány na celkový proud (zdánlivý – v komplexním tvaru), který se skládá z činné a jalové složky.

Činná složka se ve spotřebiči mění na práci, kdežto jalová se pouze přelévá z místa přebytku do místa nedostatku (slouží především k vytváření elektromagnetických polí) a proto je jalová energie nazývána “fluktuační”. Pro její výrobu není nutná vyšší potřeba primárního zdroje energie (například vyšší spotřeba páry v turbíně).

Jalový výkon je takový výkon, který se za vektorem napětí buď předbíhá o 90° a nebo opožďuje. Jalový výkon, který je 90° za vektorem napětí nazýváme indukční jalový, výkon 90° před vektorem napětí pak nazýváme kapacitní jalový.

Úvod

Za normálních provozních podmínek některé elektrické zátěže (např. elektromotory, svářečky, zářivková svítidla či obloukové pece) nevyžadují od zdroje pouze dodávku činné, ale také jalové energie. Tato energie je sice nutná ke správnému provozování zátěže, není však přeměněna v užitečnou práci a proto je považována za nežádoucí zátěž, která se přenáší mezi zdrojem a spotřebičem. Výkon přeměněný na užitečnou práci nazýváme výkonem činným, celkovou zátěž se zahrnutím výkonu jalového (a výkonu deformačního, způsobeného existencí harmonických) naýváme výkonem zdánlivým.
Zdánlivý výkon se vypočte podle vztahu:
rov1kde P je výkon činný [kW] a Q výkon jalový [kvar]

Účiník dPF (anglicky Displacement Power Factor) představuje cosφ, úhlu fázového posunu mezi 1. harmonickou napětí a proudu. Existence harmonických vyšších řádů zvyšuje zdánlivý výkon. Se zahrnutím tzv. deformačního (distorzního výkonu) D se výkon zdánlivý vypočte podle vztahu:
rov2Tzv. opravdový účiník PF (anglicky Power Factor), který v sobě zahrnuje i deformační výkon, se pak vypočte podle vztahu:

rov3

O podílu jalové složky na celkovém zdánlivém výkonu vypovídá účiník (cos fí). V případě, že účiník je roven 1, přenáší se pouze činná složka, zdánlivý výkon je roven činnému a provoz energetického zařízení je nejvíce ekonomický (minimální úbytky napětí, ztráty výkonu – optimální využití přenosové soustavy). Z tohoto důvodu je stanovena v zákoně č. 458/2000 Sb. závazná hodnota účiníku odebíraného výkonu – tzv. neutrální hodnota v rozmezí 0,95 induktivního charakteru až 1,00.

Nejběžnější spotřebiče elektrické energie v průmyslových sítích mají induktivní charakter, v první řadě jsou to elektrické pohony. Plně zatížený motor pracuje s účiníkem 0,7 až 0,9 (záleží na jeho velikosti, typu a technologické úrovně zpracování), ale při běhu naprázdno může mít účiník roven až 0,3.

Harmonické frekvence

S rostoucími požadavky na řízení pohonů dochází ke značnému nasazování regulovaných pohonů napájenými z řízených polovodičových usměrňovačů a statických měničů kmitočtu. Tyto jsou spolu s dalšími nelineárními spotřebiči (výbojkové a zářivkové osvětlení, elektronické předřadníky, svařovací agregáty – zejména bodové, záložní zdroje, počítače, různá elektronická zařízení pracující na principu přerušování napěťové křivky a podobně) zdrojem harmonických, které svým příspěvkem zvyšují zatížení prvků rozvodné soustavy. Harmonické proudy mají frekvenci rovnou celistvým násobkem základní frekvence (50 Hz), například 3. harmonická má frekvenci 150 Hz, 5. harmonická má frekvenci 250 Hz, atd.

Aby odběratel elektrické energie byl tzv. “bezproblémový”, musí podle výše citovaného zákona odebírat elektrickou energii s účiníkem v mezích neutrální hodnoty 0,95 ind. až 1,00, to znamená, že jednak musí své zařízení kompenzovat, ale na druhé straně nesmí překompenzovávat. Dále nesmí provozem svého zařízení zpětně působit na kvalitu dodávané elektřiny – nesmí ovlivňovat funkci řídící, měřící a zabezpečovací techniky a činnost systému hromadného dálkového ovládání (HDO). “Kvalita” elektrické energie je definována v podnikových normách energetiky řady PNE 33 34 30-…, respektive ve standardu ČSN EN 50 160, kde jsou uvedeny i kompatibilní úrovně jednotlivých harmonických napětí a celkové zkreslení sinusovky napětí na jednotlivých napěťových hladinách. To znamená, že musí eliminovat harmonické, které vznikají v jeho odběrném zařízení.

Shrnutí

Výsledkem provedené kompenzace je finální snížení odebíraného zdánlivého výkonu a snžíení proudu procházejícího napájecím vedením. Účinek kompenzace se projeví vždy jen v napájecí části elektrické sítě, za místem připojení směrem ke spotřebiči se na napájecích poměrech ale nic nemění.

To je hlavní význam kompenzace. Napájecí část směrem ke zdroji se proudově odlehčí a tím se získá možnost dalšího zatížení zatížení vedení, ale také se zlepší napěťové poměry a hlavně se sníží ztráty ve vedení.

Ztráty výkonu pro třífazové vedení stanovíme vztahem:

ΔP = 3.R. I2 [W]

kde R je odpor vedení (stanovíme podle délky, průřezu a měrného odporu) a I procházející proud. Snížení nákladů na elektrickou energii může být dosaženo zvýšením účiníku na ekonomičtější úroveň.

  • Snížením zdánlivého výkonu (zvýšení účiníku) se sníží přenášený zdánlivý výkon a odlehčí se elektrické vedení. Uvolněná kapacita může být využita pro připojení nové zátěže bez nutnosti instalace nového vedení.
  • Snížení zátěže součástí distribuční sítě pomocí kompenzace jalového výkonu vede k prodloužení jejich životnosti.

Metody kompenzace

Jedním z nejvýhodnějších opatření pro snižování ztrát při přenosu elektrické energie je paralelní kompenzace. Kapacitní jalový výkon připojených správně dimenzovaných kondenzátorů kompenzuje induktivní jalový výkon vyžadovaný elektrickou zátěží. Tím dochází k redukci jalového výkonu odbíraného ze zdroje. Tento princip se nazývá kompenzace jalového výkonu (anglicky Power Factor Corrrection)

Nejobvyklejší metody kompenzace jalového výkonu jsou:

Individuální kompenzace (Single or Fixed PFC) – kompenzační zařízení je v tomto případě připojeno na přímo na svorky spotřebiče a nebo v jeho blízkosti. Tím je odlehčeno celé vedení od zdroje po spotřebič. Dosažené úspory jsou nejvyšší, hospodárnost kompenzace však závisí na využití spotřebiče. Individuální kompenzace je typická pro stále provozovanou zátěž s konstantním příkonem např. kompenzace asynchronních motorů, transformátorů, zářivek a výbojek atd.

Skupinová kompenzace (Group PFC) – kompenzační zařízení je připojeno na přípojnicích rozvaděče pro skupinu spotřebičů, například kompenzace na hlavních rozvaděčích v průmyslových závodech. V tomto případě je odlehčen úsek vedení od tohoto rozvaděče ke zdroji. Vlivem nesoudobosti provozu spotřebičů vychází kompenzační výkon menší než při individuální kompenzaci každého spotřebiče a je již nutná jeho regulace.

Centrální kompenzace (Bulk PFC) – je typická pro rozsáhlé elektrické systémy s volatelní zátěží, obvykle je připojena v hlavní rozvodně závodu na přípojnicích vstupní trafostanice. Vlivem nesoudobosti spotřebičů opět klesá potřebný kompenzační výkon, rovněž je nutná regulace. Kondenzátorové baterie jsou spínány regulátorem podle aktuálního požadavku kompenzačního výkonu.

Kombinovaná kompenzace (Combined PFC) – představuje kombinaci předchozích variant.

Výpočet kompenzačního výkonu

Kompenzační výkon potřebný k dosažení požadovaného účiníku se vypočte podle vztahu:

rov4

Kde Qc je požadovaný kompenzační výkon kondenzátoru, P činný výkon zátěže kW, cosφ1 původní účiník před korekcí a  cosφ2 cílový účiník.

Pokud známe spotřebu činné energie A [kWh], jalové energie B [kvarh] a počet provozních hodin zátěže t [h],  můžeme původní účiník cosφ1 vypočíst podle vztahu:

rov5

a nebo pro tgφ platí:

rov5a

Průměrný činný výkon zátěže pak vypočteme:

rov6

Stanovíme cílový účiník cosφ2, (např. podle požadavku rozvodných závodů 0,95-0,98, v případě kombinované kompenzace podle umístění kompenzačního prvku). Výkon kondenzátorové baterie potřebný ke změně fázového posuvu pak zjistíme dosazením do rovnice 4.