ZAVOD ZA ELEKTROENERGETIKU

KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE U DISTRIBUTIVNIM MREAMAKOLEGIJ:Prijenos i distribucija elektrine energije

STUDENTI: Boris Ivokovi Ivan Boi Marko Mari Vanja Mihajlovi Slaven Perak NASTAVNIK: Prof.dr.sc. Nikolovski Srete, dipl.ing.

Osijek, Svibanj 2012.

SADRAJ

1 UVOD ........................................................................................................ 4 2 POPRAVAK FAKTORA SNAGE ........................................................... 5 3 UREAJI ZA KOMPENZACIJU ............................................................ 9 3.1. Kondenzatorske baterije ...................................................................... 9 3.2. Sklopnici............................................................................................ 153.2.1 Princip rada ....................................................................................................16 3.2.2 Proces uklapanja/isklapanja ...........................................................................17

3.3. Ostala oprema za kompenzaciju........................................................ 183.3.1 Tiristorski modul ............................................................................................18 3.3.2 Regulator jalove snage ...................................................................................19 3.3.3 Prigunica za kompenzaciju ...........................................................................21

3.4. Sinkroni motor/kompenzator ............................................................ 22 4 TARIFNI POTICAJ ZA KOMPENZACIJU JALOVE SNAGE............ 26 5 ZAKLJUAK .......................................................................................... 27 6 LITERATURA ........................................................................................ 28

SAETAKZadatak ovog rada je prikazati razloge zbog kojih bi se radila kompenzacija jalove snage u distributivnim mreama. Na temelju teorijskih postavki prikazati e se i konkretni postupci kako se provodi kompenzacija jalove snage. Rad je usmjeren na kompenzaciju jalove snage pomou kondenzatorskih baterija te se nastoji prikazati kakvi se sve problemi javljaju pri sintezi sustava kompenzacije. Rad nastoji na praktian nain itateljima dati uvid u kompenzaciju openito, ali i opremu koja se koristi za kompenzaciju. Kljune rijei: kompenzacija, faktor snage, kondenzatorske baterije, jalova snaga.

ABSTRACTThe task of this paper is to present the reasons for compensation reactive power in distribution networks. Based on theoretical assumptions there will show specific procedures for reactive power compensation. The work focuses on reactive power compensation with capacitor battery, and seeks to show what all the problems occurring in the synthesis system of compensation. This paper aims to give readers a convenient way to access to compensation in general, but also, there are shown equipment used for compensation. Key words: compensation, power factor, capacitor battery, reactive power.

3

1

UVODKompenzacija jalove snage u distributivnim mreama velike je vanosti te donosi samo

prednosti i prema mrenoj i prema potroakoj strani. Poznato je da tokovi jalove snage djeluju nepovoljno s obzirom na naponske razine u mrei te ih se zbog toga eli smanjiti, a to se ini kompenzacijom jalove snage. U distributivnim mreama problem predstavljaju potroai (industrijska postrojenja, asinkroni elektromotorni pogoni) koji zahtijevaju jalovu snagu i to najee induktivnu, za razliku od prijenosnih vodova gdje je problematian induktivitet vodova. Osim toga, tokovi jalove snage uzrokuju i dodatne radne gubitke (I2R) koji se naravno poveavaju s kvadratom struje, a naponi distributivnih mrea su uvelike manji od prijenosnih mrea, to znai da se ista snaga prenosi veom strujom. Zbog toga distributer elektrine energije (npr. HEP) nastoji poticati kompenzaciju jalove snage u distributivnim mreama (zadnje poglavlje), to znai da potroai (industrijska postrojenja) najee sami moraju kompenzirati svoju jalovu snagu. U ovom radu prikazat e se naini kompenzacije jalove snage, najprije pomou kondenzatorskih baterija, a zatim i pomou sinkronih motora/kompenzatora. Rad e ipak uvelike biti usmjerena na kompenzaciju pomou kondenzatorskih baterija. Nastojat e se pokazati problemi i rjeenja takve kompenzacije, a dati e se i praktini znaaj rada, usmislu prikaza osnovnih dijelova za kompenzaciju pomou kondenzatorskih baterija.

4

2

POPRAVAK FAKTORA SNAGE

Prema izvoru[skriptaDM], troila uz djelatnu snagu redovito uzimaju i jalovu (reaktivnu) snagu induktivnog karaktera. Posebno velika induktivna troila su elektrini motori. Oni uzimaju iz mree znaajnu induktivnu komponentu struje, koja im je potrebna za stvaranje magnetskog toka.

Slika 1. Trokut snaga potroaa Na prethodnoj slici, slika 1., sa ST oznaena je prividna snaga potroaa, PT predstavlja djelatnu a QT jalovu komponentu snage potroaa. Iz ranije steenog znanja znamo da se faktor snage potroaa definira kao omjer djelatne i prividne snage potroaa, te iz trokuta snaga potroaa vidimo da je to kosinus kuta T, dakle vrijedi: (1) Induktivna komponenta struje potroaa zaostaje za naponom za 90, dok je radna komponenta struje u fazi sa naponom. To je prikazano na sljedeoj fazorskoj slici, slika 2., pri emu su oznake slijedee: Vn fazni napon potroaa (u primjeru asinkroni motor) Un nazivni linijski napon mree na koju je prikljuen potroa IT - nazivna struja troila koja se sastoji od: Ir radne komponente (u fazi je s naponom potroaa) Ix induktivne komponente (zaostaje za naponom za 90). T fazni pomak izmeu nazivnog napona i nazivne struje potroaa IC struja kondenzatorske baterije(spojene paralelno potroau)

5

Slika 2. Fazorski dijagram struja i napona potroaa bez(lijevo) i s kompenzacijom(desno) U ovom smo sluaju kompenzaciju izveli preko kondenzatorske baterije paralelno prikljuene na sabirnice gdje se nalazi potroa. Slika 3. to prikazuje taj spoj.

Slika 3. Prikljuak kondenzatorske baterije paralelno potroau Iz fazorskog dijagrama je vidljivo da se smanjila struja koja dolazi iz mree za dio reaktivne struje koju je dala kondenzatorska baterija. Takoer se poveao (popravio) faktor snage mree, unato tome to potroa i dalje uzima potrebnu induktivnu struju Ix , koja mu je potrebna za normalni rad. Ovo smanjenje jalove struje (snage) koja je prije dolazila iz mree zove se kompenzacija reaktivne snage i ona se (najee) provodi ugradnjom kondenzatorskih baterija paralelno troilu ili grupi troila (potroau) koji uzima znaajnu jalovu snagu. Kompenzacija jalovih snaga kod potroaa (ili kako se jo zove: popravak faktora snage) moe se shvatiti i tako, da se tok jalovih snaga u mrei svodi na najmanju moguu mjeru, a da se izvori napajanja jalovom snagom to vie priblie mjestu potronje.

6

Slika 4. Vektorski dijagram kompenzacije jalove snage Openito, kompenzacija jalove snage moe biti: Pojedinana kompenzacija. Ovaj nain bit e pogodan za troila, koja imaju izuzetno lo faktor snage (fluorescentne, ivine i natrijeve svjetiljke) i kojima je jalova snaga konstantna (elektrine pumpe s konstantnom visinom pumpanja, ventilatori u jednolikom reimu rada). Mana ovog naina je veliki instalirani kapacitet kondenzatorskih baterija, neaktivan dok je troilo iskljueno. Pojedinana je kompenzacija asinkronih motora ekonomina kad je motor u stalnom pogonu, a za prikljuak nisu potrebne posebne sklopke i osigurai. Grupna(centralna) kompenzacija, tj. kompenzacija jalove snage dijela mree odnosno kompenzacija potronje jalove snage koju troi vie potroaa u mrei, ali i sama mrea (gubici jalove snage na vodovima, a posebno transformatorima). Tu je potreban manji ukupni kapacitet kondenzatora (zbog faktora istovremenosti), pa je rjeenje jeftinije, pogotovo ako je predviena i regulacija. Svrha je takve kompenzacije rastereenje pojne mree do mjesta ugradnje kondenzatora. Iza mjesta ugradnje kompenzacije ne poboljava se time nita, to je svakako mana.

Slika 5. Vrste kompenzacije jalove snage potroaa

7

Potrebna nazivna jalova snaga QCn kondenzatorske baterije, u sluaju kad je ista spojena u zvijezdu, moe se odrediti na sljedei nain (uz poznate nazivne podatke potroaa: S T, Un, cosT). Nazivna struja potroaa je: (2)

Takoer se polazi od zadanog (eljenog) faktora snage koji je potrebno imati nakon ugradnje kondenzatorske baterije (cos'), to je kod potroaa najee uvjetovano ekonomskim razlozima (npr. cos'=0.95, to je granica iznad koje se ne plaa jalova energija). Dakle, trai se nazivna snaga kondenzatorske baterije (QCn) i odgovarajui kapacitet po fazi baterije (C). Iz fazorskog dijagrama na slici 2. slijedi: (3) (4) (5) ( ( ( ( ) ( ) ) ) ) (6) (7)

Ako zadnju jednadbu pomnoimo sa 3Vn , dobiva se: (8) (9)

Pri emu je PT djelatna snaga troila. Kapacitet po fazi kondenzatorske baterije spojene u spoj zvijezda moe se odrediti pomou slijedeeg izraza: (10) ( gdje su: IC struja koja kod nazivnog faznog napona Vn tee kondezatorskom baterijom kruna frekvencija, = 2f, f = 50Hz. Openito moemo rei da kompenzacijom jalove snage potroaa, tj. popravkom faktora snage potroaa: smanjuju se trokovi za jalovu energiju pojedinano kompenziranih potroaa poboljavaju se naponske prilike u mrei (smanjuju se padovi napona u mrei), smanjuje se strujno optereenje elemenata mree, smanjuju se gubici radne snage (energije) u mrei. 8 )

(11)

3 3.1.

UREAJI ZA KOMPENZACIJU Kondenzatorske baterije

Kondenzatorske baterije namijenjene su za poveanje faktora snage u niskonaponskim energetskim postrojenjima i filtraciju harmonika u srednjenaponskim postrojenjima. Primijenjena MKP tehnologija se sastoji od metalizirane polipropilen folije sa izrazito malim faktorom gubitaka. Dielektrik je samoobnovljiv bez tekueg impregnanta. Elementi kondenzatora zatvoreni su u cilindrino aluminijsko kuite napunjeno biljnim uljnim gelom koji je neotrovan, biorazgradiv i nije tetan za okolinu. Izvedba MKP kondenzatora je prikazana na slici 6. Kondenzatorske baterije imaju zatitu od nadtlaka odvajanjem od napajanja u sluaju unutarnjeg kvara te na kraju ivotnog vijeka. Ovakva izvedba i primjena visokokvalitetnih materijala osiguravaju pouzdanost i dugi ivotni vijek. Kondenzatorske baterije mogu se montirati u svakom poloaju. Predspojni osigurai moraju biti dimenzionirani za dvostruku nazivnu struju kondenzatorske baterije.

Slika 6. Izvedba MKP kondenzatora to se tie mjesta ugradnje kondenzatorske baterije, najdjelotvornije je ugraditi to blie potroau koje uzima jalovu snagu iz mree jer se na taj nain mrea maksimalno rastereuje tokova jalovih snaga. Kondenzatorske baterije se redovito ugrauju u trafostanicama VN/SN, SN/SN i SN/NN, i to najee na strani nieg napona kao to je prikazano na slici 7. 9

Slika 7. Mjesta ugradnje kondenzatorskih baterija u mrei Kondenzatorske baterije se dijele na: 1. Niskonaponske kondenzatorske baterije (MKP suhe, cilindrino kuite)

Slika 8. Niskonaponske kondenzatorske baterije (cilindrino kuite)

10

2. Niskonaponske kondenzatorske baterije (MKP suhe, etvrtasto kuite)

Slika 9. Niskonaponske kondenzatorske baterije (etvrtasto kuite) 3. Visokonaponske kondenzatorske baterije

Slika 10. Visokonaponske kondenzatorske baterije Kod visokonaponskih kondenzatorskih baterija, dielektrik je polipropilen folija impregnirana sa sintetikom tekuinom koja je nekodljiva za zdravlje ljudi i okoli. Elektrode su od aluminijske folije. Takva konstrukcija osigurava vrlo male gubitke kondenzatorskih baterija. Kondenzatorske baterije imaju ugraene unutarnje otpornike za pranjenje koji smanjuju napon na 75 V za 10 minuta. U ispitnoj stanici namijenjene su za proizvodnju kapacitivne jalove snage potrebne pri ispitivanju energetskih transformatora na kratki spoj. Kondenzatorska baterija prikljuuje se paralelno ispitivanom transformatoru preko visokonaponskog postrojenja s jedinstvenim prikljunim mjestom za kondenzatorsku bateriju. 11

eljena shema spoja vri se prikljuivanjem odgovarajueg dijela baterije na visokonaponsko postrojenje, spajanjem potrebnog broja katova baterije, te formiranjem serijskih grupa tako da se spoj izmeu visokonaponskog postrojenja i kondenzatorske baterije na eonoj strani baterije izvodi kabelskim vodovima, a spajanje izmeu katova baterije se izvodi isto na eonom dijelu baterije pomou odgovarajuih rastavljaa ili W-spojnica. Primjer jednog od moguih spojeva kondenzatorske baterije je prikazan na slici 11.

Slika 11. Primjer jednog od moguih spojeva kondenzatorske baterije Kondenzatorske baterije su simetrini trofazni ureaji. One sadre kondenzatore u svakoj fazi, koji mogu biti spojeni u spoj zvijezdu ili u spoj trokut:

Slika 12. Spoj kondenzatorske baterije u zvijezdu(lijevo) i trokut(desno) 12

Kod spoja kondenzatorskih baterija u spoj zvijezdu dobiveno zvjezdite se najee ne uzemljuje. Kondenzatorske baterije se redovito rade u vie grupa, tj. na nain da ukupni kapacitet ine nekoliko paralelno spojenih trofaznih grupa, tako da je mogue ukljuiti jednu ili vie grupa. Na taj nain se dobije mogunost odabira snage kondenzatorske baterije ovisno o potrebama (tj. ovisno o jalovoj snazi potroaa kojeg se kompenzira). Ukljuivanje pojedine paralelne grupe kontrolora automatika, na nain da se mjeri (promjenljiva) jalova snaga potroaa i ukljuuje najpovoljniji broj grupa, tako da ukupna snaga kondenzatorske baterije bude to blia optimalnoj jalovoj snazi za kompenzaciju na eljenom faktoru snage. Bolja, ali i skuplja varijanta je automatsko kontinuirano upravljanje snagom kondenzatorske baterije pomou tiristora kao to je prikazano na slici 13.

Slika 13. Automatska regulacija snage kondenzatorske baterije (TSC Thyristor switched capacitors) Problemi pri uklapanju kondenzatorske baterije: Struja kondenzatorske baterije izuzetno je osjetljiva na trenutak ukljuenja, tj. na vrijednost napona u trenutku ukljuenja. Struja kondenzatora je: ( ) pojave velike struje ukljuenja, ograniene samo impedancijom kabela. Kada se kondenzator ukljui na izmjenini sistem, nastaje rezonantni strujni krug koji je u veoj ili manjoj mjeri priguen. Kod uklapanja kondenzatora koji se nalazi u kompenzacijskom ureaju s ve ukljuenim (nabijenim) kondenzatorima, tranzijentna uklopna struja je do 200 puta vea od nominalne struje, a te velike vrijednosti struje uklapanja mogu dovesti do taljenja glavnih kontakata sklopnika, a tetne su i za kondenzatore. U ovim kondenzatorskim sklopnicima se koriste pretkontakti s funkcijom ograniavanja struje uklapanja. Svakom pretkontaktu u seriju je spojen otpornik za ogranienje struje uklapanja 13( )

pa moe doi do

(struje nabijanja) kondenzatora. Pretkontakti se zatvaraju prije glavnih kontakata, a otvaraju se kad su ovi sigurno zatvoreni. 1. Uklapanje pomou kontaktora: Kontaktorom ne moemo birati toan trenutak ukljuenja, tranzijent struje prilikom ukljuenja i iskljuenja baterije je izuzetno velik, tj. 70-100 puta vei od nominalne struje. To izaziva poremeaje u naponu napajanja, koji se onda ire do svih troila u pogonu. Ovakvi poremeaji utjeu na rad i dugotrajnost osjetljive opreme, od napajanja raunala do industrijskih regulatora, PLC-ova, ispravljaa itd. Ako se javljaju resetiranja PLC-ova, proboji na elektronikoj opremi, gubitak sinkronizacije regulatora, itd. treba provjeriti irenje komutacijskih tranzijenata. 2. Uklapanje pomou tiristora: U svim osjetljivim pogonima, ukljuenje kondenzatorskih baterija obavlja se preko tiristora. Tiristori ukljuuju i iskljuuju kondenzatorske baterije tono u trenutku kada struja prolazi kroz nulu, pa nema nikakvog tranzijenta u struji, pa onda ni u naponu.

Slika 14. Osciloskopski snimak ukljuenja i iskljuenja kondenzatorskih baterija preko kontaktora i preko tiristora. 3. Izoblienje napona i struje: Izoblienje napona najvie teti samim kondenzatorskim baterijama. Zbog visokih izoblienja napona i zatvaranja viih harmoninih komponenti struja preko kondenzatorskih baterija, izvrena je rekonstrukciju i nadogradnja u filtersku kompenzaciju jalove snage i tako se sprijeio nastanak rezonancije. 14

Slika 15. Napon i struja bez kompenzacije(lijevo) i s kompenzacijom(desno) 4. Fiksna i automatska kompenzacija: Kod fiksnih kompenzacija, bilo pojedinanih ili grupnih, moramo osigurati da kondenzatorska baterija bude ukljuena u vrijeme kada je ukljueno troilo ili grupa troila, kako ne bi dolo do prekompenziranja. Ovakva vrsta kompenzacije jalove snage primjenjiva je kod manjeg broja jaih induktivnih tereta. Automatski ureaj jalove snage opremljen je mikroprocesorskim regulatorom koji na osnovi podataka iz mree uklapa i isklapa odreene kondenzatorske grupe, te na taj nain odrava faktor jalove snage u granicama normale (to iznosi od 0,95 - 1 induktivno). Vrijednost cos =0,95 - 1 induktivno te osigurava da potronja jalove energije ne prelazi 1/3 utroene radne energije.

3.2.

Sklopnici

Postoji vie vrsta sklopnika, kao to su tropolni, etveropolni i specijalni (kondenzatorski) sklopnici. Nadalje e se govoriti samo o kondenzatorskim sklopnicima (kontaktorima) jer se koriste za uklapanje i isklapanje kondenzatorskih baterija koje imaju male induktivitete i male gubitke u sklopu sa ili bez prigunica.

15

Slika 16. Prikaz i shema spajanja kondenzatorskih sklopnika

3.2.1

Princip rada

Kada se kondenzator ukljui na AC sistem, nastaje rezonantni strujni krug koje je u veoj ili manjoj mjeri priguen. Kod uklapanja kondenzatora koji se nalazi u kompenzacijskom ureaju s ve ukljuenim (nabijenim) kondenzatorima, tranzienta uklopna struja je do 200 puta vea od nominalne struje. Velike vrijednosti struje uklapnja mogu dovesti do taljenja sklopnikovih glavnih kontakata, a tetne su i za kondenzator.

Slika 17. Prikaz pojedinane kompenzacije i viestupanjskog kondenzatorskog ureaja 16

U automatskim kompenzacijskim ureajima potrebno je koristiti sklopnike koji priguuju struju uklapanja takoer se izbjegavaju tranzienti i naponski padovi. U ovim kondenzatorskim sklopnicima se koriste pret-kontakti s funkcijom ograniavanja struje uklapanja. Svakom pretkontaktu u seriju je spojen otpornik za ogranienje struje uklapanja (struje nabijanja) kondenzatora. Pretkontakti se zatvaraju prije glavnih kontakata, a otvaraju se kad su ovi sigurno zatvoreni. Ovo svojstvo kondenzatorskih skopnika garantira njihovo uinkovito i ujednaeno funkcionranje tijekom njihovog vijeka trajanja. Kondenzatorski sklopnici se pogodni za ukljuivanje kondenzatora sa ili bez predspojenih prigunica. Zahvaljujui pretkontaktima i priguenim otpornicima struja uklapanja je < 70 x IN. Osigurai za kondenzator karaktestike gL (gG) trebaju biti dimenzionirani od 1,6 do 1,8 x IN.

3.2.2

Proces uklapanja/isklapanja

Najvee vrijednosti struje uklapanja su ograniene ianim otpornicima. Kod uklapanja nema gubitaka struje u otpornicima tijekom rada jer nisu vie u strujnom krugu. Tijekom isklapanja pretkontakti ostaju u mirovanju.

Slika 18. Prikaz uklapanja Kod priguenih ureaja za kompenzaciju jalove snage mogu se koristiti i kondenzatorski sklopnici bez pretkontakata. U tom sluaju funkciju priguenja struje uklapanja vre antirezonantne filterske prigunice. 17

Slika 19. Uklopna struja kondenzatora bez pretkontakata(lijevo) i sa pretkontaktima(desno)

3.3.3.3.1

Ostala oprema za kompenzacijuTiristorski modul

Koritenje novih tehnologija u modernoj industriji ima negativne efekte na kvalitetu elektrine energije u opskrbnim mreama. Sve ee su brze i velike promjene optereenja, te harmonike oscilacije. Problemi koji se javljaju (strujni udari, poveani gubici, treperenje...) ne utjeu samo na opskrbni kapacitet ve imaju i znaajan utjecaj na osjetljivu elektroniku opremu. Rjeenje za navedene probleme je koritenje tiristorskih modula za dinamiko sklapanje kodnenzatorskih stupnjeva. TSM tiristorska sklopka je brzi, elektroniki kontrolirani, samonadzirani tiristorski modul za uklapanje kapacitivnih tereta do 200 kvar, u izuzetno kratkom vremenu (nekoliko milisekundi). Nema ogranienja u broju sklapanja u toku ivotnog vijeka kondenzatora. Svojstva: Jednostavna montaa Sadri svu potrebnu inteligenciju Vrijeme reakcije samo 5 milisekundi Prikaz rada i greaka putem led dioda

TSM premanentno nadzire: Napon Faznu sekvencu Struju prikljunog kondenzatora Temperaturu

18

Ako se pojave problemi s naponom TSM-LC iskljui strujni krug. Nadzorom struje kondenzatora mogu se identificirati opasni radni uvjeti kao npr. poveana harmonika distorzija. Velika struja viih harmonika moe unititi prikljuene kondenzatore. Zahvaljujui integriranom mjernom sustavu, tiristorski modul iskljui kondenzator za vrijeme trajanja preoptereenja. Alarmni signal previsoke temperature iskljui pripadni kondenzatorski stupanj. Nakon snienja temperature tiristorska sklopka ponovno ukljui kondenzator. Izbor tiristorskih modulaza napon 400V i maksimalna snaga pri nazivnom naponu: TSM-LC10 TSM-LC25 TSM-LC50 TSM-LC100 TSM-LC200 12,5 kvar 25 kvar 50 kvar 100 kvar 200 kvar

Izbor tiristorskih modulaza napon 690V i maksimalna snaga pri nazivnom naponu: TSM-HV50 60 kvar TSM-HV200 200 kvar

Slika 20. TSM tiristorska sklopka

3.3.2

Regulator jalove snageRegulator faktora snage serije BR-6000:

19

Slika 21. Regulator faktora snage serije BR-6000 (izgled s prednje i stranje strane) Regulator fakstora snage BR-6000 se odlikuje jednostavnim upravljanjem baziranim na displeju s izbornikom i jednostavnim tekstom. Na displeju regulatora moemo proitati trenutne (mreni napon, reaktivnu snagu, radnu snagu, frekvenciju, struje pojedinih kondenzatora, prividnu snagu, prividnu struju, trenutni faktor snage, zadani faktor snage itd.) i memorirane vrijednosti (broj sklapanja kondenzatorskih sklopnika, maksimalni napon, maksimalne vrijednosti harmonika, maksimalnu reaktivnu snagu, maksimalnu radnu snagu, maksimalnu prividnu snagu, maksimalnu temperaturu, ukupno vrijeme rada kondenzatora). Nove osobine omoguavaju intuitivni nain upravljanja. Simboli i tekst su jednostavni i kombinirani s jasnim prikazom. Treba istaknuti opciju da korisnik moe podesiti sekvencu regulatora u dodatku s unaprijed danim sekvencama i omoguiti time rad regulatora u svim vrstama regulacijskih ureaja. Prikaz ratliitih mrenih parametara i pohranjenih veliina kompenzacije omoguava jednostavnu analizu greaka i nadzora sustava.

Slika 22. Shema prikljuivanja regulatora faktora snage serije BR-6000 20

3.3.3

Prigunica za kompenzaciju

Poveana upotreba suvremenih elektrinih aparata (usmjerivai, ureaji besprekidnog napajanja, frekventni regulatori itd.) koji proizvode nelinearnu struju, utjee na optereenje mree harmonicima (mreno oneienje). Kapacitet energetskog kondenzatora zajedno s napojnim transformatorom tvori rezonantni strujni krug. Iskustvo je pokazalo da se rezonantna frekvencija ovakvog strujnog kruga najee kree od 250-500 Hz tj. u podruju 5. i 7. harmonika. Rezonancija moe dovesti do sljedeih neeljenih posljedica: Preoptereenje kondenzatora Preoptereenje transformatora i prijenosne opreme Ometanje brojila i kontrolnih sistema, kompjutora i elektrine opreme Naponske distorzije

Ove rezonantne pojave se mogu izbjei spajanjem kondenzatora u seriju s filterskom prigunicom. Neugoeni sistemi su dimenzionirani tako da je njihova rezonantna frekvencija nia od najnieg mrenog harmonika. Neugoeni kompenzacijski sistem je esto induktivan ako se promatraju harmonici iznad rezonantne frekvencije. Kod linijske frekvencije od 50 Hz, neugoeni sistem se ponaa iskljuivo kapacitivno, kompenzirajui tako reaktivnu struju.

Slika 23. Antirezonantna filterska prigunica Antirezonantna trofazna filterska prigunica (svojstva): Velika otpornost prema harmonicima Mali gubici Velika linearnost Niska razina buke Jednostavna montaa Dugaak vijek uporabe Toplinska zatita (mikroprekida) 21

Tablica I. Tehniki podaci antirezonantne trofazne filterske prigunice Frekvencija Nazivni napon Snaga Priguenje Hlaenje Max. Temperatura okoline Mehanika zatita 50 Hz 400 V 10 do 20 kvar 5,67%, 7%, 14% prirodno 40C IP 00

3.4.

Sinkroni motor/kompenzator

Sinkroni motori imaju, iako ne tako rairenu kao asinkroni, primjenu u elektrinim pogonima gdje je potrebna konstantna brzina vrtnje za razliite momente tereta, odnosno za razliita optereenja. Razlog ire upotrebe asinkronih motora u industrijskim postrojenjima jest taj da je asinkroni motor iste snage uvijek jeftiniji od sinkronog motora, asinkroni motor se lake odrava dok sinkroni motor ima etkice i klizne kolute koji se troe. Uz stanovite nedostatke, sinkroni motor ima veu korisnost od asinkronog motora te regulacijom struje uzbude sinkroni motor moe raditi s maksimalnim faktorom snage, odnosno s cos()=1.

Slika 24. Karakteristika regulacije sinkronog struje Karakteristiku regulacije generatora predstavlja krivulja I f ( I m ) uz U=const., cos=const. i n = const. Karakteristika se snima pri raznim optereenjima stroja od praznog hoda do nazivnog optereenja i manjeg preoptereenja. Napon za razliita optereenja generatora 22

regulira se promjenom uzbudne struje ( I m ) kako bi se uz promjenljivu struju optereenja ( I ) ili uz promjenu vrste optereenja (ime se mijenja faktor snage) zadrao U = const. Kod sinkronog motora napon mree je konstantan, dakle promjenom uzbudne struje regulira se jalova snaga. Kao i sinkroni kompenzator, preuzbueni sinkroni motor se ponaa kao kondenzator (proizvodi induktivnu jalovu snagu), a poduzbueni sinkroni motor se ponaa kao zavojnica (proizvodi kapacitivnu jalovu snagu). Jasno je da od praktinog znaaja ima samo reim rada preuzbuenog sinkronog motora, dakle, kada sinkroni motor proizvodi induktivnu jalovu snagu. Zbog toga je prikladno koristiti sinkroni motor u pogonu s asinkronim motorima, zato to je upravo njima potrebna induktivna jalova snaga. Na slici (dolje) prikazan je pogon koji se sastoji od sinkronog i 2 asinkrona motora. Sinkroni motor je klizno kolutni, dakle ima sposobnost mijenjanja napona uzbude. Asinkroni motori obavljaju rad te uzimaju radnu snagu iz mree (P1 i P2). Uz radnu snagu takoer uzimaju i jalovu snagu (Q1 i Q2). Sinkroni motor uzima samo radnu snagu (P3) te, kako je ve ranije reeno, ne mora uzimati jalovu snagu (napon uzbude Ufo). U ovakvom sluaju mrea je optereena jalovom snagom (Q1 + Q2). Tokovi jalove snage predstavljaju optereenje mrei i elektroenergetskom sustavu te distributeri potiu velike industrijske potroae da kompenziraju jalovu snagu. Prema tome, cilj je da se jalova snaga ne uzima iz mree, nego da se kompenzira.

Slika 25. Primjer pogona s sinkronim i asinkronim motorima Kako bi se ostvarila kompenzacija jalove snage dovoljno je, kako je reeno u tekstu prije, poveati napon na uzbudi sinkronog motora. Time se sinkroni motor preuzbuuje te on stvara induktivnu jalovu snagu koja je upravo potreban asinkronim motorima. Bitno je napomenuti da preuzbuivanje sinkronog motora ne utjee na njegov rad u pogonu, odnosno on e i dalje obavljati rad sa snagom P3 = konst. Sada su promijenjeni tokovi jalove snage mrea vie ne mora isporuivati jalovu snagu asinkronim motorima, nego sad to ini sinkroni motor.

23

Slika 26. Kompenzacija pogona sinkronim motorom Iako se ini da je kompenzacija sinkronim motorom trivijalna, to je za runu kompenzaciju donekle tono, sinteza automatske kompenzacije jalove snage elektrinog pogona sa sinkronim motorom nailazi na relativne potekoe. Naime, kako se jalova snaga regulira pomou iznosa napona uzbude, posredno pomou struje uzbude i uzbudnog toka, potrebno je odrediti funkcijsku ovisnost napona uzbude i faktora snage elektromotornog pogona koji se kompenzira. Problem je u tome to se ne moe jednoznano identificirati proces kojim se upravlja: G(s)=FS(s)/Uf(s), gdje je FS(s) faktor snage (FS=cos()). Naime, izmjenini elektromotorni pogoni mogu se sastojati od vie motora razliitih snaga koji ne zahtjevaju konstantnu jalovu snagu. Unato tome, moe se, prije putanja u pogon sustava za automatsku kompenzaciju pogona sinkronim motorom, snimiti karakteristika If=f(cos()) koja e biti dovoljna za sintezu regulatora.

24

Slika 27. Upravljanje tokovima jalove snage pomou sinkronog motora Pomou bloka f(cos()) pretvara se eljeni faktor snage u referentnu vrijednost struje uzbude te dalje regulacijski krug (regulator PI vladanja) forsira uzbudnu struju sinkronog motora na eljenu vrijednost, koja upravo odgovara kompenzairanom pogonu s faktorom snage jednak 1. Sinteza regulatora uzbudne struje sinkronog motora nije sloena. Regulacijski proces ini uzbudni strujni krug koji se moe aproksimirati PT1 vladanjem. Sintezu regulatora uz zadovoljavajue performanse regulacijskog sustava dovoljno je provesti pomou tehnikog optimuma. Upotreba sinkronih motora za kompenzaciju pogona na prvi pogled je znatno povoljnija u odnosu na kondenzatorske baterije, iz razliitih razloga: sinkroni motori mogu, uz kompenzaciju, obavljati i rad, dok kondenzatorske baterije ne mogu obavljati nikakav rad; sinkroni motori kompenzaciju obavljau kontinuirano, a kondenzatorske baterije u skokovima. Ipak za pogone manjih snaga nije ekonomski isplativa zamjena nekog asinkronog motora sa sinkronim, zato to su kondenzatorske baterije ipak mnogo jeftinija rjeenja. Upotreba sinkronih motora/kompenzatora dolazi u obzir kod potroaa velikih snaga (npr. eljezare) i gdje je mehanika karakteristika sinkronog motora povoljna.

25

4

TARIFNI POTICAJ ZA KOMPENZACIJU JALOVE SNAGE

Mrea mora biti sagraena za prividnu snagu troila, a ne za djelatnu snagu. Poveani gubici prijenosa elektrine energije Ovi su razlozi ukljueni u tarifni pravilnik svakog distributera elektrine energije. Tako se, primjerice, prema Tarifnom pravilniku Hrvatske elektroprivrede od 01.01.1999. godine ukupni iznos rauna za utroenu elektrinu energiju bez poreza rauna prema izrazu: Cijena=(radna energija * gdje je faktor K dan izrazom:

+ najvia oitana snaga

)*(1+

) kn

(12)

(13) a cos se dobiva iz relacije: (14)

Kuanstva i javna rasvjeta ne plaaju jalovu energiju (K=0). Mjerilima jalove energije mjeri se umnoak trajanja optereenja i jalove snage osnovnog harmonika. Proizlazi: Za cos 0,95 faktor K je negativan. Tarifnim pravilnikom stimulira se potroaa na popravak faktora snage, ukupni se raun u najpovoljnijem sluaju moe smanjiti za 2%. Za cos < 0,95 faktor K je pozitivan, to znai da potroa plaa naknadu distributeru elektrine energije. Mjerei samo faktor faznog pomaka cos za sada se uope ne uzima u obzir ni nelinearnost ni vremenska promjenljivost sve veeg broja troila.

26

5

ZAKLJUAK

Kroz rad pokazano je zato se vri kompenzacija jalove snage u distributivnim mreama, dakle za popravak faktora snage potroaa. Koristi kompenzacije su obostrane, za mreu i potroaa. U elektronenergetskom sustavu (mrei) nema prevelikog toka jalove snage, a potroai plaaju poticajnu cijenu za svoji kompenziranu potronju elektrine energije ili, drugim rijeima, potroai ne plaaju prekomjernu jalovu snagu koju kao nekompenzirani zahtijevaju. Kompenzacija pomou kondenzatorskih baterija je, kako je prikazano u radu, vrlo pouzdana, jeftina, a sinteza takvog sustava kompenzacije ne zahtijeva sloenu sintezu. Kompenzacija jalove snage je nuna u svakom pogonu, a na to ukazuje rok otplate uloene investicije u kompenzaciju, koji je reda jednog do nekoliko mjeseci. Dakle, ako se rok otplate investicije aproksimira s obrnuto proporcionalnim koeficijentom nunosti (RokOtplate~1/knunosti) tada se moe rei da kompenzacija jalove snage u nekakvom pogonu ima relativno veliki koeficijent nunosti u odnosu na ostale investicije. Cilj ovog rada jest ostvariti praktini znaaj kako bi, u prvom redu studenti, ali i svi itatelji mogli koristiti ovaj rad u daljnjoj karijeri.

27

6

LITERATURA

[1] [2] [3]

[4] [5]

Katalog ERG 2010. (www.erg.hr) Katalog Elsis (www.elsis.hr) Laboratorijska vjeba iz kolegija Elektromagnetska kompatibilnost: tetne posljedice povratnih djelovanja nelinearnih i vremenski promjenljivih troila na izmjeninu mreu, doc. dr. sc. Denis Pelin, ETF Osijek Distribucija elektrine energije, interna skripta FESB Split, Doc. dr. sc. Ranko Goi, dipl.ing., Damir Jakus, dipl.ing., Ivan Penovi, dipl.ing. Split, 2008. Kompenzacija jalove snage Ureaji za kompenzaciju jalove snage, predavanja od Prof. dr. sc. Zlatko Maljkovi, Dinamika industrijskih postrojenja, FER Zagreb

28