Оборудване за корекция на фактора на мощността

• Широко използван начин за контрол на хармониците е с използване на пасивни или активни филтри
  
  
• При проектиране на системите за подобряване на фактора на мощността с кондензаторни батерии се търси оптималното решение за мрежа с променливо във времето натоварване
  
  
• Шунтовите реактори са най-компактният и рентабилен начин за компенсиране на генерирането на реактивна мощност в дълги електропреносни линии ВН

Корекцията на фактора на мощността подобрява ефективността на разпределителна система, към която е свързан товар. В електрическите мрежи невинаги напреженията и токовете имат идеална синусоидална форма. Нелинейните товари изкривяват синусоидата на тока. Изкривяванията се дължат на наличието на различни консуматори с нелинейни характеристики. Най-често това са асинхронни електродвигатели и персонални компютри. Силно влияние върху синусоидата на напрежението в мрежата оказват редица импулсни устройства.

В такива случаи може да се използва активна или пасивна корекция на фактора на мощността, за да се противодейства на изкривяването и да се повиши факторът на мощността. Ниският фактор на мощността на нелинейни товари, като асинхронни двигатели например, може да бъде коригиран с пасивна мрежа от кондензатори или индуктори.

Ползи от компенсирането на реактивна енергия

Факторът на мощността изразява отношението на активната мощност към пълната мощност в електрическите вериги на променлив ток. При наличието на реактивни товари в мрежата произведението на ефективните стойности на тока и напрежението не може да бъде точен показател за активната мощност, равна на извършената работа за единица време. Поради действието на магнитни или електрически полета възникват двупосочни колебания между реактивните елементи и генераторите, т.е възниква реактивна енергия. За целите на точното определяне на активната енергия е необходимо да се отчете ъгълът на дефазиране между тока и напрежението и произведението от техните ефективни стойности и да се коригира с косинус от този ъгъл.

Оборудването за компенсиране на реактивната енергия се използва главно в промишлените приложения. Устройствата за корекция на фактора на мощността може да са разположени централизирано в подстанцията, може да са позиционирани на различни точки на разпределителната система или да са разположени на ниво консуматори.

Реактивната енергия във веригите на електрическите машини трябва да бъде изравнена с помощта на подходящи системи, като например кондензаторни батерии. Оборудването за компенсиране на реактивната енергия също така може да бъде автоматично, фиксирано или статично.

Надеждното, сигурно и високопроизводително оборудване за компенсиране на реактивна енергия може да отговори на специфичните нужди на захранващата мрежа на всяко производство, като същевременно позволи намаляване на сметките за електроенергия, елиминира глобите за нисък фактор на мощността, увеличи максимално ефективността на инсталациите и оборудването и подобри надеждността на захранването на съоръженията. Следователно, компенсирането на реактивната енергия е от още по-голямо значение за непрекъснатите производства, в които проблемите с оперативната наличност на производствените мощности означава огромни финансови загуби.

Оборудване за корекция на фактора на мощността

Най-широко използваният начин за корекция на фактора на мощността е чрез контрол на хармониците с използване на пасивни или активни филтри. Стандартът БДС EN IEC 61000-3-2:2019 относно електромагнитната съвместимост (ЕМС). Част 3-2: Гранични стойности. Гранични стойности за излъчвания на хармонични съставящи на тока (входен ток на устройства/съоръжения Ј16 A за фаза) (IEC 61000-3-2:2018) определя изискванията по отношение на хармоничните изкривявания и допустимите максимални стойности на хармониците.

Електрическите филтри са предназначени да пропускат сигнали с определена честота. Пасивните филтри съдържат пасивни елементи и се разделят на две основни групи – LC филтри, които се реализират с бобини и кондензатори, и RC филтри – съдържащи резистори и кондензатори. Електронните (или активни) филтри съдържат активни елементи – най-често транзистори, или операционни усилватели.

Електрическите филтри и товарът се свързват между източник на сигнал с дадено вътрешно съпротивление. За правилната работа на LC филтрите е необходимо съгласуване между съпротивлението и входното съпротивление на филтъра, от една страна, и изходното му съпротивление и съпротивлението на товара, от друга. LC филтрите за хармоници представляват за дадената резонансна честота минимално съпротивление. Този филтър намалява хармоничните съставки на тока, като така включеният в мрежата нелинеен товар добива характеристики на линеен.

Активните филтри за хармоници (AHF) са един изключително добър отговор на проблемите с качеството на енергията, причинени от изкривявания в синусоидата, нисък фактор на мощността, вариации на напрежението, колебания на напрежението и небалансирани товари, за широк спектър от сегменти и приложения. AHF са високопроизводителни, компактни, гъвкави и рентабилни модулни филтри за активна мощност (APF), които осигуряват ефективно решение на проблемите с качеството на електроенергията в електрически системи с ниско или високо напрежение.

Активният филтър на хармоници е устройство, базирано на силова електроника, свързано успоредно с товара, който изисква намаляване на хармониците. AHF работи като контролиран източник на ток, осигуряващ необходимата форма на вълната в реално време. AHF наблюдава захранването на товара и компенсира произведените хармонични изкривявания на тока чрез генериране на компенсационен ток.

Едни от често прилаганите методи за подобряване на фактора на мощността са чрез синхронен двигател, който отдава индуктивна мощност и подобрява фактора на мощността в мястото на инсталиране, а другият е чрез кондензаторни батерии. Кондензаторните батерии въвеждат реактивна мощност, без да променят активната мощност на товара. Ефектът от използването на компенсиращо устройство е максимален при свързване към индивидуален товар. За по-прецизно управление на работата на електродвигателя се използват няколко кондензаторни батерии, които последователно се включват към захранващата верига на електродвигателя чрез програмируем контролер. Чрез използване на сложни алгоритми се определя оптималният капацитет на кондензаторните батерии.

Системата за подобряване на фактора на мощността с кондензаторни батерии се проектира въз основа на изчислителен процес и търсене на оптимално решение за мрежа с променливо във времето натоварване. Установяват се възлите, където могат да бъдат инсталирани кондензаторните батерии, техният вид, независимо дали е фиксиран или модулиран в стъпки, и се изчислява тяхната мощност. В индустрия с множество товари с различни характеристики често е необходимо по-комплексно решение.

Прилагат се три начина за компенсиране в зависимост от разположението на кондензаторната батерия. При централното компенсиране кондензаторната батерия се монтира на ниво главно табло НН. При частичното или секторно компенсиране кондензаторната батерия е монтирана на ниво разпределителни табла. Този тип компенсиране е препоръчително при инсталации, свързани с няколко цеха с различен характер на товарите. Третият тип е индивидуалното компенсиране, т.е. когато кондензаторната батерия е свързана към клемите на товара, консумиращ реактивна енергия. Този метод се прилага, когато мощността на тези товари е сравнима с общата мощност на инсталацията.

Комплектните кондензаторни уредби представляват изцяло оборудвани табла, чиято цел е да поддържат предварително зададен фактор на мощността автоматично. Функцията на комплектната кондензаторна уредба (ККУ) е да повиши мрежовото напрежение и да намали загубата на реактивна мощност чрез използване на паралелно свързвани кондензаторни батерии. ККУ използва принципа за фазово изместване на кондензаторите, за да компенсира загубата на реактивна мощност, генерирана от оборудването. За да се проектира една комплектна кондензаторна уредба за дадено приложение, е необходимо да се знае какви са нивата на хармониците за тока и напрежението при всеки възможен случай на натоварване, а също така и динамичността на товара, т.е. колко бързо се променя той.

Шунтовият реактор в една енергийна система абсорбира реактивна мощност, като така повишава ефективността на системата. Реакторът е компактно устройство, използвано за компенсиране на реактивна мощност в преносни линии с високо напрежение. За постоянно свързване или превключване на шунтовия реактор се използва прекъсвач. Шунтовият реактор трябва да е така оразмерен, че да функционира при най-високото работно напрежение продължително. Например, за 400-киловолтова система, при напрежение с 5% по-високо от номиналното при нормална разлика в честотата на мощността, без да се надвишава температурата от 150°C на който и да е елемент на шунтовия реактор.

Шунтовите реактори са най-компактният и рентабилен начин за компенсиране на генерирането на реактивна мощност в дълги електропреносни линии ВН. Те могат да се използват при постоянна експлоатация за стабилизиране на пренасяната мощност или да се включват при условия на ниско натоварване само за контрол на напрежението. При ниски натоварвания напрежението в преносната линия се увеличава. Шунтовият реактор намалява напрежението, поддържа го в желаните граници и допринася за стабилизирането на системата.

Електропреносните системи са обект на ежедневни или сезонни вариации на натоварването. Шунотвите реактори, позволяващи непрекъснато регулиране на компенсацията при вариращи във времето натоварвания, правят ненужно включването и изключването, което се извършва при реакторите с фиксирана мощност. Това елиминира вредните стъпки в напрежението. Този тип реактори винаги може да бъде адаптиран към текущите нужди, което ги прави икономично средство за подобряване на стабилността на напрежението и качеството на електроенергията при променливи във времето условия на натоварване.
Чрез използването на честотни преобразуватели с микропроцесорно управление, което изменя скоростта на двигателя, може да се повиши ефективността му, да се намалят разходите за електрическа енергия, като се поддържа висок фактор на мощността. Трифазните асинхронни електромотори с честотен преобразувател работят с променлива честота и напрежение. Честотните задвижвания намаляват консумацията на електрическа енергия, подобряват експлоатационните характеристики и удължават живота на устройствата и системите, в които са вградени.

Софтстартерът е друго съвременно решение, което подобрява енергийната ефективност на индукционните двигатели. Те представляват електронни устройства, които управляват плавното пускане и спиране на мотора с понижено напрежение. Устройствата от по-висок клас се предлагат с възможност за самообучаващи се алгоритми, вградени диагностични и защитни функции и голяма гъвкавост на управлението. Вградена микропроцесорна технология позволява лесно персонализиране на функционалността на продукта според конкретното приложение. Функцията на софтстартера е лесно и гъвкаво да контролира пусковия ток и пусковия момент, да осигури плавно управление на напрежението и тока, без превключвания и пикове.
При провеждане на експериментални изследвания, включващи двата типа управление – с честотен регулатор и със софтстартер при различни натоварвания, се наблюдава изменението на фактора на мощността.

Факторът на мощността е най-голям при максимален товар. С намаляване на натоварването и факторът на мощността се понижава. При използването на честотен преобразувател за управление се реализира по-голям фактор на мощността, като високата му стойност се запазва и при намаляване на товара.
Консумираната активна мощност би трябвало да нарасне с увеличаването на товара, но в същото време с намаляването на честотата на напрежението при едни и същи стойности на товара на двигателя, консумираната активна мощност се понижава. Това се дължи на честотното управление, при което отношението между напрежението и честотата се поддържа константа, т.е. U/f = const.
При управление на двигателя посредством честотен преобразувател, токът през двигателя се променя по-плавно за различните стойности на товара в сравнение със софтстартера. Консумираната активна мощност е по-малка при честотно управление в сравнение със софтстартер.