Компенсация реактивной мощности в квартире, быту и на производстве

Нагрузка предприятий подразделяется на активную, индуктивную и емкостную, все эти виды мощностей зависят от типа работающего оборудования.

Существование реактивной энергии несет отрицательное воздействие на электрические сети, создает электромагнитные поля в электрических устройствах.

Существование реактивного тока создает дополнительную нагрузку, приводящую к снижению качества электроэнергии, влекущую увеличение сечений токовых проводников.

Предисловие

Одной из причин возникновения дополнительных потерь в электрических сетях является вынужденная передача реактивной мощности, генерируемая основными индуктивными потребителями электрической энергии (электродвигателями, трансформаторами, реакторами и т.д.). Потребление реактивной мощности характеризуется коэффициентом мощности (cos φ). Чем больше значение коэффициента мощности, тем меньше дополнительных потерь в сетях. Таким образом, возникает проблема повышения коэффициента мощности как одно из важных мероприятий по уменьшению потерь в сетях, связанная с уменьшением потребления реактивной мощности электроприемниками.

Как установка помогает экономить деньги?

Установка КРМ, используется в промышленности, при эксплуатации в тандеме с электродвигателями, которые и являются основными потребителями реактивной мощности. Если «полезная» энергия тратиться на работу мотора, то реактивная приводит к снижению его эксплуатационных преимуществ. например, увеличивается риск преждевременной поломки, чаще нужны остановки оборудования для охлаждения, что отражается на производительности предприятия.

Без УКРМ пользователь платит и за бесполезную энергию

Реактивная доля электричества «гоняется» по проводам, не принося пользы, а из-за ее избытка возникает перегрев, обеспечивается дополнительная нагрузка на сеть и оборудование. Итог: у пользователя двойная потеря – переплата за нецелевую электроэнергию и повышенный риск поломок электрооснащения. А потери и риски сводятся к минимуму без значительных трат – покупкой и установкой УКРМ, И чем больше мощность потребляемой энергии, тем больше выгод от использования компенсатора.

Понятие об активной и реактивной мощностях

В электрический цепях, содержащих комбинированную нагрузку, полная мощность, потребляемая от сети, складывается из активной мощности, совершающей полезную работу, и реактивной мощности, расходуемой на создание магнитных полей и создающей дополнительную на грузку на силовые линии питания. Соотношение между полной и активной мощностью, выраженное через косинус угла между их векторами (cosφ), называется коэффициентом мощности.

В электрических сетях, содержащих только активную нагрузку (лампы накаливания, электронагреватели и др.) ток и напряжение изменяются синфазно, и из сети потребляется только полезная активная мощность.

Но в реальной жизни это бывает достаточно редко. Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором).

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети.

Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени, когда напряжение и ток имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершает колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно).

Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (φ) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е. cos(φ)=P/S.

Появление реактивной составляющей в сети можно отобразить на векторных диаграммах следующим образом:

Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом.

Чем ближе значение cos(φ) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности

Для большинства промышленных потребителей наличие в сетях реактивной энергии означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем кроме совершающей полезную работу активной энергии протекает и реактивная энергия, не совершающая полезной работы и направленная только на создание магнитных полей в индуктивной нагрузке. Протекая по кабелям и обмоткам трансформаторов, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекаемого по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — т.е. активные потери. Из этого следует, что согласно современным правилам расчета за электроэнергию, потребитель вынужден как минимум дважды платить за одни и те же непроизводительные затраты. Один раз — непосредственно за потребленную из сети реактивную энергию (по счетчику реактивной энергии) и второй раз — за нее же, но косвенно, оплачивая активные потери от протекания реактивной энергии, учитываемые счетчиком активной энергии.

Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитирующим фактором, неблагоприятным для сети в целом. В результате этого:

• увеличиваются расходы на электроэнергию;
• приходится платить штрафы за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности
• возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
• увеличивается нагрузка на трансформаторы и коммутационную аппаратуру, таким образом, снижается срок их службы
• увеличивается нагрузка на провода, кабели — приходится использовать большего сечения;
• отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).
• увеличивается уровень высших гармоник в сети

Особенности установки компенсационного оборудования

Расчет мощности трехфазной сети

Привязка к индивидуальному потребителю эффективна с точки зрения КПД работы, но обслуживание агрегата в этом случае потребует больше денежных затрат. Если соединить установку с группой нагрузок, денежные затраты будут существенно меньше, но в сети будет наблюдаться уменьшение активных потерь.

Важно! Установку можно подключить как изолированный агрегат с собственным кабельным вводом либо в привязке к основному распредщиту.

Конденсаторные установки

Для уменьшения реактивной мощности в сетях промышленных предприятий получили распространение конденсаторные установки.

Конденсаторная установка (КУ, или УКРМ — установка компенсации реактивной мощности) — согласно действующему ГОСТ 27389-87, это электроустановка, состоящая из конденсаторов и относящегося к ней вспомогательного электрооборудования (регулятора реактивной мощности, контакторов, предохранителей и т. д.).

Выбрать необходимую конденсаторную установку (калькулятор)

Выбор режима компенсации

По месту установки КУ различают следующие виды компенсации: централизованная на высокой стороне (а), централизованная на низкой стороне (б), групповая (в) и индивидуальная (г) (см. рисунок ниже).

• При централизованной компенсации на стороне высокого напряжения , когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 6-10 кВ трансформаторной подстанции, получается хорошее использование конденсаторов, их требуется меньше и стоимость 1 квар установленной мощности получается минимальной по сравнению с другими способами. При компенсации по этой схеме разгружаются от реактивной мощности только расположенные выше звенья энергосистемы, а внутризаводские распределительные сети и даже трансформаторы подстанции остаются не разгруженными от реактивной мощности, а следовательно, потери энергии в них не уменьшаются и мощности трансформаторов на подстанции не могут быть уменьшены.
• При централизованной компенсации на стороне низкого напряжения, когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 0,4 кВ трансформаторной подстанции, от реактивной мощности разгружаются не только вышерасположенные сети 6—10 кВ, но и трансформаторы на подстанции, однако внутризаводские распределительные сети 0,4 кВ остаются неразгруженными.
• При групповой компенсации, когда конденсаторные установки устанавливаются в цехах и присоединяются непосредственно к цеховым распределительным пунктам (РП) или шинам 0,4 кВ, разгружаются от реактивной мощности и трансформаторы на подстанции и питательные сети 0,4 кВ Неразгруженными остаются только распределительные сети к отдельным электроприемникам. В целях равномерного распределения компенсирующих устройств целесообразно подключать конденсаторную установку к шинам РП таким образом, чтобы реактивная нагрузка этого РП составляла более половины мощности подключаемой конденсаторной установки.
• При индивидуальной компенсации, когда конденсаторная установка подключается непосредственно к зажимам потребляющего реактивную мощность электроприемннка, что является основным требованием создания реактивной мощности по возможности ближе к месту ее потребления, такой способ будет наиболее эффективным в отношении разгрузки от реактивной мощности питательной и распределительной сетей, трансформаторов и сетей высшего напряжения. При индивидуальной компенсации происходит саморегулирование выработки реактивной мощности, так как конденсаторные установки включаются и отключаются одновременно с приводными электродвигателями машин и механизмов.

Практически распространенными способами компенсации реактивной мощности электроснабжения промышленных предприятий является групповая компенсация, возможны также варианты комбинированного размещения конденсаторных установок. Определение наивыгоднейших решений выбора способа компенсации реактивной мощности производится на основании технико-экономических расчетов тщательных исследований производственных условий, факторов конструктивного характера и т. д.. При выборе места размещения конденсаторной установки в распределительной сети необходимо учитывать ее влияние на режим напряжения и величину потерь энергии в сети. Как правило, компенсация реактивной мощности должна производиться в той же сети (на том же напряжении), где она потребляется, при этом будут минимальные потери энергии, а следовательно, и меньшие мощности трансформаторов.

Выбор типа компенсации

В зависимости от требований к характеристикам оборудования и сложности управления, КРМ может быть следующих типов:

• нерегулируемой – путем подключения конденсаторной батареи фиксированной емкости;
• автоматической – путем включения различного количества ступеней регулирования для подачи требуемой реактивной энергии;
• динамической – для компенсации быстро изменяющихся нагрузок.

Нерегулируемая компенсация

В схеме используется один или несколько конденсаторов, обеспечивающих постоянный уровень компенсации. Управление может быть:

• ручным: с помощью автоматического выключателя или выключателя нагрузки;
• полуавтоматическим: с помощью кнопок и контактора;
• прямое подсоединение к нагрузке и включение/отключение вместе с ней.

Конденсаторы присоединяются:

• к вводным зажимам индуктивных нагрузок (в основном, электродвигателей);
• к шинам, питающим группы небольших электродвигателей или индуктивных нагрузок, для которых индивидуальная компенсация может быть довольно дорогостоящей;
• в случаях, когда коэффициент нагрузки должен быть постоянным.

Автоматическая компенсация

Данный тип компенсации предусматривает автоматическое поддержание заданного cos φ путем регулирования количества вырабатываемой реактивной энергии в соответствии с изменениями нагрузки. Оборудование КРМ устанавливается и подключается к тем местам электроустановки, где изменения активной и реактивной мощности относительно велики, например:

• к сборным шинам главного распределительного щита;
• к зажимам кабеля, питающего мощную нагрузку.

Нерегулируемая компенсация применяется там, где требуется компенсировать реактивную мощность, не превышающую 15% номинальной мощности трансформаторного источника питания. Если требуется компенсировать более 15%, рекомендуется устанавливать конденсаторную батарею с автоматическим регулированием. Управление обычно осуществляется электронным устройством (контроллером реактивной мощности), которое отслеживает фактический коэффициент мощности и выдает команды на подключение или отключение конденсаторов для достижения заданного коэффициента. Таким образом, реактивная энергия регулируется ступенчато. Кроме того, регулятор реактивной мощности выдает информацию о характеристиках электросети (амплитуда напряжения, уровень искажений, коэффициент мощности, фактическая активная и реактивная мощность) и состоянии оборудования. В случае неисправности подаются аварийные сигналы. Подключение обычно обеспечивается контакторами. Для быстрой и частой коммутации конденсаторов при компенсации сильно изменяющихся нагрузок следует использовать полупроводниковые ключи.

Динамическая компенсация

Данный тип КРМ используется для предотвращения колебаний напряжения в сетях с изменяющимися нагрузками. Принцип динамической компенсации заключается в том, что вместе с нерегулируемой конденсаторной батареей используется электронный компенсатор реактивной мощности, обеспечивающий опережение или запаздывание реактивных токов относительно напряжения. В результате получается быстродействующая изменяющаяся компенсация, хорошо подходящая для таких нагрузок, как лифты, дробилки, аппараты точечной сварки и т. д.

Учет условий эксплуатации и содержания гармоник в сети

Конденсаторные установки следует выбирать с учетом условий эксплуатации на протяжении всего срока службы комплектующих, в первую очередь конденсаторов и контакторов.

Учет условий эксплуатации

Условия эксплуатации оказывают значительное влияние на срок службы конденсаторов. Следует учитывать следующие параметры:

• температура окружающей среды (°C);
• ожидаемые повышенные токи, связанные с искажением формы напряжения, включая максимальное непрерывное перенапряжение;
• максимальное количество коммутационных операций в год;
• требуемый срок службы.

Учет воздействия гармоник

В зависимости от амплитуды гармоник в электросети применяются различные конфигурации устройств КРМ:

• Стандартные конденсаторы: при отсутствии значительных нелинейных нагрузок.
• Конденсаторы увеличенного номинала: при наличии незначительных нелинейных нагрузок. Номинальный ток конденсаторов должен быть увеличен, чтобы они могли выдерживать циркуляцию токов гармоник.
• Конденсаторы увеличенного номинала с антирезонансными дросселями применяются при наличии многочисленных нелинейных нагрузок. Дроссели необходимы для подавления циркуляции токов гармоник и предотвращения резонанса.
• Фильтры высших гармоник: в сетях с преобладанием нелинейных нагрузок, где требуется подавление гармоник. Обычно фильтры конструируются для конкретной электроустановки, исходя из результатов измерений на месте и компьютерной модели электросети.

Расчет мощности компенсации по счетам за электроэнергию

Рабочий тариф

В счете за электроэнергию месячное потребление активной и реактивной энергии стоит раздельно. При достижении коэффициента мощности cosφ = 0,9 затраты на реактивную энергию не учитываются, так как величина реактивной энергии составляет не более 50% от активной.

Из месячного счета за электроэнергию возьмем величины израсходованной активной и реактивной электроэнергии.

Пример 1

Расход активной энергии: 17 500 кВт⋅ч.

Расход реактивной энергии: 21 000 кВт⋅ч.

Эти величины связаны между собой посредством tanφ:

Принимаем для tanφ = 1,2 соответствующий cosφ = 0,64. При работе предприятия в среднем по 170 часов в месяц определяем среднечасовую нагрузку (мощность):

Для того чтобы добиться повышения коэффициента мощности от cosφ = 0,64 до cosφ = 0,9, нужно взять перерасчетный коэффициент

Для получения необходимой мощности конденсаторов нужно перемножить среднечасовую мощность на перерасчетный коэффициент f

:

Мощность компенсационной установки с приемлемым резервом принимаем равной 100 кВАр.

Тариф максимальной нагрузки

За основу в расчете возьмем максимальную пиковую нагрузку за месяц. Так как энергосберегающая организация учитывает в данном случае не активную, а полную мощность, нужно стремиться к повышению коэффициента мощности до единицы.

Из месячного счета за электроэнергию возьмем величину пика максимума нагрузки и актуальный (действующий).

Пример 2

Пик максимума нагрузки: 175 кВт.

Коэффициент мощности: cosφ1 = 0,7

Для желаемого cosφ2 =1 получаем перерасчетный коэффициент f

= 1,02.

Мощность компенсационной установки с приемлемым резервом принимаем равной 200 кВАр.

Комплектующие к УКРМ

Конденсаторы

Конденсаторы всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для корректировки коэффициента мощности индуктивных потребителей (трансформаторов, электрических двигателей, ректификаторов) в электрических сетях для напряжений до 660 В.

Конструкция

Самые популярные трехфазные конденсаторы компенсации реактивной мощности состоят из цилиндрического алюминиевого корпуса, внутри которого смонтированы три однофазных конденсатора соединенные по схеме «треугольник» (см.рис. вариант а). Подключение осуществляется через три клеммы. Также существуют модели (например от Legrand) с шестью клеммами (см.рис. вариант б) они позволяют подключать контактор в разрыв треугольника. Что в свою очередь позволяет взять контактор меньшего номинала.

В корпусе конденсатора установлен диэлектрик с тремя полипропиленовыми слоями, металлизированными алюминием и цинком. Данное покрытие обеспечивает низкий уровень потерь и высокую устойчивость к высоким импульсным токам, а также способствует самовосстановлению конденсатора при пробое. В зависимости от величины рабочего напряжения полипропиленовая пленка имеет различную толщину. При этом слои металлизации выступают в роли проводников тока (т.е. обкладок), а полипропилен является диэлектриком. После выполнения необходимых технологических операций и прохождения контроля качества емкостные элементы (рулоны) помещаются в алюминиевые цилиндрические корпуса и заливаются полиуретановой смолой, нетоксичной и обладающей высокими экологическими свойствами.

Технология производства и самовосстановление конденсаторов

Исходным материалом для производства конденсаторов служит полипропиленовая пленка. В начале технологического процесса происходит металлизация полипропиленовой пленки для формирования на ней токопроводящего слоя толщиной 10-50 нм из смеси цинка и алюминия. Применение материала с указанными характеристиками позволяет добиться получения эффекта самовостановления в случае возникновения пробоя диэлектрика между обкладками конденсатора. При этом электрическая энергия испаряет металл вокруг поврежденного места и тем самым предотвращает короткое замыкание. Потеря емкости в течении данного процесса, совсем незначительна (около 100pF). Способность к самовосстановлению гарантирует высокую операционную надежность и длительный срок эксплуатации конденсатора. Для сведения к минимуму тангенса угла диэлектрических потерь, на торцы конденсаторных секций наносится в два слоя покрытие из цинка, которое получило название цинковый крепленый край. За счет этого достигается более плотный контакт между выводами конденсатора и конденсаторной секцией.

Защита от избыточного давления

Для обеспечения защиты внутренних элементов конденсатора, у большинства производителей, применяется встроенный разъединитель, который срабатывает при возникновении избыточного давления. Назначением устройства является прерывание тока короткого замыкания при достижении конденсатором окончания срока службы и его неспособности к последующему восстановлению. Это устройство разрывает электрическую цепь конденсатора, используя внутреннее давление, которое возникает во время разрушения пленки от перегрева, вызванного током короткого замыкания.

Применение конденсаторов с номинальным напряжением выше 400В.

Так как напряжение напрямую влияет на реактивную мощность конденсатора, компании предлагают линейки конденсаторов с разными номинальными напряжениями Un — 400, 440, 460, 480, 525В. В сетях 380В, со стабильными параметрами напряжения сети, рекомендовано применять конденсаторы с Un — 400В, в этом случае применение конденсаторов с Un — 440В и выше нецелесообразно, потому что номинальная мощность существенно уменьшается (примерные поправочные коэффициенты 230V — 1.74 / 440V — 0.91 / 480V — 0.83 / 525V — 0.76) Согласно стандарта EN-60831.1-2, конденсаторы на промышленной частоте должны выдерживать напряжение величиной l,10*Un (1.10*400 = 440В) в течение не менее 8 часов в сутки. В случаях, когда повышенное напряжение сети сохраняется более 8 часов, необходимо применять конденсаторы с Un — 440В. Применение данного типа конденсатора гарантирует надежную работу в сети с повышенным напряжением и увеличение срока службы конденсатора.

Внимание! Остаточное напряжение

После отсоединения конденсатора от сети на его выводах еще присутствует остаточное напряжение, которое представляет опасность для обслуживающего персонала. Для его устранения все трехфазные конденсаторы снабжены разрядными сопротивлениями, которые снижают уровень напряжения до уровня меньше чем 75В за 3 минуты.

Внимание! Защита от перегрева

Для обеспечения надежного естественного охлаждения, расстояние между конденсаторными батареями должно быть: 2,5 — 25 kVAr не менее 25мм. 30 — 50 kVAr не менее 50мм.

Предохранители

Предохранители всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для защиты от коротких замыканий. Наиболее применяемые предохранители имеют формат NH.

Стандарты IEC 60269 и VDE 0636 регламентируют выбор предохранителей для применения в электрических цепях с индуктивной нагрузкой. Данный стандарт не рассматривает случаи, когда коэффициент мощности cos φ меньше <0.1, либо нагрузка носит емкостной характер. В настоящее время стандарты, сертификационные испытания параметров и характеристик отключения предохранителей, распространяются только на индуктивные нагрузки и являются недействительными для емкостных нагрузок. Несмотря на это, возможно применение предохранителей с характеристикой отключения gG для защиты конденсаторов компенсации реактивной мощности, при условии соблюдения нижеперечисленных правил.

Внимание!

Предохранители не должны использоваться для защиты конденсаторов от перегрузки. Защита от перегрузки должна осуществляется посредством внутреннего разъединителя избыточного давления, установленного в конденсатор. Плавкие предохранители должны применяться только для защиты от внешнего или внутреннего короткого замыкания конденсаторов или конденсаторной установки. Игнорирование данного правила может привести к повреждению установки компенсации реактивной мощности, в результате разрушения корпуса предохранителя. При выборе предохранителей для защиты конденсаторов необходимо соблюдать следующие правила: — Предохранители должны продолжительно выдерживать максимальный рабочий ток конденсаторов, который составляет 1.5 х In. Исходя из данного требования, рекомендуется выбирать предохранитель номиналом 1,6 — 1,8 от значения номинального тока конденсатора (при cos φ не менее 0,7). — Предохранители должны выдерживать пусковые токи конденсатора. При коммутации конденсаторов возникает большой пусковой ток, превышающий номинальное значение до 100 раз. Эти скачки тока постепенно уменьшают ресурс предохранителя, что в итоге может привести к его перегреву и ложному срабатыванию. Правильно подобранные предохранители (1,6 -1,8 от номинального тока конденсатора) с использованием электромеханических контакторов для коммутации трехфазных конденсаторов или полупроводниковых контакторов, которые активируются при пересечении напряжением нуля, позволяют избежать негативных воздействий пусковых токов. — Не допустима продолжительная работа конденсаторов и предохранителей при наличии в сети высших гармоник или резонанса. При номинальной частоте питающей сети, конденсаторы имеют такое сопротивление, при котором исключается вероятность возникновения перегрузки. Устройства генерирующие высшие гармоники, оказывают дополнительную нагрузку на предохранители и конденсаторы. В промышленных сетях высшие гармоники могут достигать значений, сопоставимых с первой гармоникой. В данном случае предохранители, выбранные с меньшими, чем нужно, номинальными токами и напряжением могут перегреться и выйти из строя с последующим разрушением корпуса плавкой вставки. При наличии высших гармоник единственным решением является использование фильтрующих дросселей для защиты установки компенсации реактивной мощности от недопустимых перегрузок. — Выбор предохранителей необходимо производить с учетом воздействия компенсационного (перетекающего) тока, который возникает между близлежащими конденсаторами установки. При переключении конденсатора или при возникновении неисправности, между конденсаторами, которые находятся рядом, начинает протекать компенсационный ток. В данной ситуации, номинальный ток предохранителей для защиты конденсаторов должен быть выбран на несколько порядков выше. Суммарный номинальный ток группы предохранителей должен быть выше минимум в 2,5 раза от номинального тока единичного предохранителя. — Предохранители должны выдерживать высокое напряжение восстановления. Резонанс и повторное включение (заряд) при разряженных конденсаторах способен генерировать обратное напряжение, которое превосходит значение напряжения сети и как следствие номинальное значение напряжения предохранителей. При снижении тока до нуля, напряжение питания Ue и напряжение конденсатора Un достигают своего максимального значения. При отключении в момент прохождения тока через ноль, напряжение конденсатора остается неизменным, в тот момент, как напряжение питания достигает своего максимального значения с противоположным знаком. Амплитуда напряжения восстановления Uf, приложенного к предохранителю, увеличивается в 2 раза (максимум в 2,5 раз в трехфазных сетях) в течении 5 мс. При возникновении повторного заряда (включении), конденсатор мгновенно меняет свою полярность на противоположную, при этом напряжение восстановления продолжает возрастать. Многократная быстрая перезарядка конденсатора может привести к повреждению предохранителей и остального оборудования электроустановки. Риск отказа предохранителя из-за избыточного напряжения восстановления может быть минимизирован выбором предохранителя с большим значением параметра напряжения по отношению к рабочему напряжению системы, а также использование предохранителей больших габаритных размеров. Также необходимо учитывать требование к времени разряда конденсатора при его повторном включении (обычно это время составляет около 3 мин. и устанавливается управляющим установкой контроллером).

Выбор предохранителей и сечения подключаемых проводников для 3-х фазной сети напряжением 400В / 50Гц в таблице 1

Таблица 1

Примечание! Значения номинальных токов защитных предохранителей и сечений подключаемых проводников, указанные в таблице (ориентировочные) действительны для нормальных условий работы (при температуре окружающей среды не более 30°C, при отсутствии гармонических искажений в сети и при выполнении требований предъявляемых к сборке такого типа установок и т.п.). Во всех остальных случаях следует внимательно рассчитывать параметры защитных элементов с учетом поправочных коеффициентов и условий эксплуатации. Значение номинального тока конденсатора при различном напряжении можно пересчитать по соответствующим коэффициентам: (230V — 1.74 / 440V — 0.91 / 480V — 0.83 / 525V — 0.76). Однако следует принять во внимание, что вышеперечисленные значения коэффициентов — условные, т.к. на них оказывают влияние: температура внутри шкафа, качество кабеля, максимальная температура изоляции кабеля, использование одно- или многожильного кабеля, а также его длина.

Регуляторы реактивной мощности

Регуляторы реактивной мощности входят в состав только автоматических установок компенсации реактивной мощности.

Регуляторы корректировки коэффициента мощности в низковольтных системах определяют действительное значение cos φ и производят автоматическое подключение или отключение ступеней для достижения требуемого значения коэффициента мощности. Принцип работы контроллера основан на системе FCP которая позволяет производить мгновенные измерения значений напряжения и тока, обеспечивая оптимальное управление системой компенсации реактивной мощности. При отсутствии необходимости автоматической настройки все параметры могут быть заданы вручную. Большинство контроллеров имеют возможность подключения и программирования внешнего вентилятора для охлаждения конденсаторных батарей, также в них предусмотрен аварийный сигнал превышения температуры. Обычно измерения реактивной мощности производится по 4 квадрантам, что обеспечивает максимальную степень компенсации потребляемой энергии.

Для компенсации мощности при разных нагрузках регуляторы отслеживают активную и реактивную составляющую мощности путем измерения мгновенных значений напряжения и тока в электрической сети. На основе этих измерений вычисляется фазовый сдвиг между током и напряжением, и это значение сравнивается с предварительно заданной величиной cos φ. В зависимости от фактического отклонения коэффициента мощности контроллер подает команду на управление ступенями конденсаторных батарей с минимальным временем реакции от 4 секунд (программируется).

Методы регулирования

Регулятор реактивной мощности оцифровывает измеряемое линейное напряжение между двумя фазами и ток в третей фазе (чаще всего). Затем, из этих значений, прибор вычисляет: коэффициент мощности, эффективные значения напряжения и тока, гармоническое искажение по напряжению и току. Расчет необходимой мощности для компенсации производится при помощи установленного требуемого значения коэффициента реактивной мощности в приборе. На основании этих значений регулятор включает или отключает соответствующие конденсаторные ступени.

• APFR (регулирование среднего коэффициента мощности) или мгновенное регулирование cos φ : Контроллер отслеживает средний коэффициент мощности исходя из активной и полной мощности за определенный промежуток времени. Этот метод гарантирует, что контроллер правильно отследит изменение нагрузки с учетом уровня нагрузки и cos φ. Благодаря системе APFR, контроллер компенсации реактивной мощности уменьшает количество переключений ступеней, не внося при этом корректировок в настройки контроллера.
• SHTD: Этот метод использует замедление времени реакции в зависимости от величины разности между установленным коэффициентом мощности и измеренным мгновенным значением. За каждую секунду разница во времени по отношению к реакции уменьшается на квадрат разности до 0 (момент реакции).
• Мгновенного изменения коэффициента мощности: Этот метод реагирует на каждое мгновенное изменение коэффициента мощности путем подключения или отключения необходимой ступени конденсаторной установки исходя из наиболее подходящего по мощности шага ступени. Этот метод используется в основном для динамической системы корректировки коэффициента мощности на базе тиристорных модулей коммутации.

Дополнительные функции регуляторов

• Контроль повышения температуры — контроллер обеспечивает возможность выдачи аварийного сигнала при повышении температуры в двух уровнях. Первый уровень обеспечивает вентиляцию шкафа. Второй уровень отключает все ступени конденсаторной установки и выдает аварийный сигнал на дисплей. Многие типы регуляторов не имеют независимых аварийных сигнальных выходов, но последняя ступень, может быть использована как аварийный выход. В этом случае она применяется только как аварийный сигнальный выход и не используется для коммутации контакторных ступеней.
• Многие регуляторы оснащаются интерфейсами для передачи информации во внешние системы управления. Например интерфейсом RS485 с протоколом связи Modbus RTU.
• Декомпенсация — в контроллере может быть предусмотрена функция применения декомпенсирующих (индуктивных реакторов) ступеней при этом ступень может иметь как индуктивный, так и емкостной характер. Декомпенсирующие реакторные ступени применяются в двух случаях: на объектах, где есть только емкостная нагрузка — в таком случае все ступени регулятора работают индуктивными; и на объектах где есть индуктивная и емкостная нагрузки — в таком случае одна ступень может работать индуктивной, а остальные ступени будут емкостными.
• В некоторых регуляторах компенсации реактивной мощности предусмотрена возможность работы по двух тарифных планах cos φ. Настройка второго тарифа cos φосуществляется в сервисном меню контроллера и активизируется подачей питания на отдельный вход (например Tariff).

Контакторы для коммутации трехфазных конденсаторов

Контакторы для коммутации трехфазных конденсаторов также входят в состав только автоматических установок компенсации реактивной мощности.

В процессе эксплуатации конденсаторных установок компенсации реактивной мощности при регулировании ступеней конденсаторные батареи подвергаются частым переключениям. В отличии от других видов электрооборудования, при коммутации конденсаторных батарей кроме номинального рабочего тока, возникает большой пусковой ток, значительно (до 250 раз) превышающий номинальное значение. Поэтому для коммутации конденсаторов необходимо использовать специально сконструированные быстродействующие контакторы. В отличие от обычных они снабжены дополнительной контактной группой, установленной параллельно основной. К вспомогательным контактам с двух сторон последовательно подключены съемные токоограничивающие элементы, состоящие из нескольких витков проводника с высоким удельным сопротивлением. При коммутациях обе группы контактов приводятся в действие одновременно, но из-за меньшего расстояния, лимитируемого упором, вспомогательные контакты замыкаются на несколько миллисекунд раньше основных, пропускают пусковой ток через токоограничивающие элементы, тем самым ограничивая ток конденсаторной батареи и размыкаются через 5 миллисекунд после надежного замыкания основных силовых контактов.

В противном случае броски тока могут привести к повреждению (залипанию) силовой контактной группы и негативно повлиять на срок службы контактора. Ограничение пускового тока также позволяет избежать просадок напряжения во время переходных процессов. Такая особенность контактной группы гарантирует стабильную и эффективную работу на протяжении всего срока службы контактора.

Контакторы для конденсаторов часто снабжены нормально разомкнутыми и/или замкнутыми вспомогательными контактами.

Фильтрующие дроссели

Трехфазные дроссели предназначены для работы в составе конденсаторных установок, включаются последовательно с конденсаторами и используются как защитное, фильтрующее устройство от влияния высших гармоник на сеть потребителя и на конденсатор. При повышении частоты приложенного напряжения к конденсатору его сопротивление снижается, поэтому применяются дроссели, которые вместе с конденсатором образуют контур, отстроенный от частоты гармоники и подавляющий ее. Частота резонанса такого контура должна быть ниже частоты самых низших гармоник, присутствующих в электросети. При наличии гармоник с частотами выше, чем частота контура, образованного конденсатором и дросселем, резонанс не возникает. Стандартные значения коэффициента отстройки составляют 5,67%, 7% и 14% при резонансных частотах 210,189 и 134 Гц в сетях с номинальной частотой 50Гц. При таких стандартных значениях величин в трехфазной сети и симметричной нагрузке становится возможным устранить 5-ю (250Гц) и гармоники высших порядков. Это позволяет избежать резонанса между индуктивным сопротивлением и трехфазными конденсаторами, включенными для корректировки коэффициента мощности, и предотвращения перегрузки конденсаторных батарей. Часто дроссели оборудованы биметаллическим тепловым реле, которое встроено в центральную обмотку и имеет выводы на отдельные клеммы. Датчик реле срабатывает при температуре выше 90°С.

Выбрать необходимую конденсаторную установку (калькулятор)

Выводы

На практике постоянно пытаются скомпенсировать преимущества и недостатки различных технологий изготовления конденсаторов. При тщательном взвешивании технических и экономических сторон вопроса выбора нужно учитывать, что конденсаторы, производимые компанией Electronicon Kondensatoren, выпускаются с резервом по напряжению и при максимальном напряжении нагружены на 80–85% возможного расчетного напряжения. Также стоит принять во внимание свойства самовосстановления используемого диэлектрика.

Обе описанные технологии изготовления конденсаторов имеют свои достоинства и недостатки. Решающими критериями при выборе являются расчет материалов, качество производства и принятие во внимание всех технических условий.

Применение данных конденсаторов дает следующие выгоды:

• С улучшением коэффициента мощности потребитель может снизить общие расходы на электроэнергию.
• Уменьшение реактивной нагрузки позволяет производителю энергии при той же общей мощности снабжать дополнительных потребителей полезной нагрузкой.
• Улучшение коэффициента мощности уменьшает нагрузку компонентов распределительной сети. Это удлиняет срок их службы.

Полезная литература

Косинус угла в электротехнике

Кто хочет, почитайте про cos φ в Википедии, а я расскажу своими словами.

Итак, что такое косинус в электротехнике? Дело в том, что есть такое явление, как сдвиг фаз между током и напряжением. Он происходит по разным причинам, и иногда важно знать о его величине. Сдвиг фаз можно измерить в градусах, от 0 до 360.

На практике степень реактивности (без указания индуктивного либо емкостного характера) выражают не в градусах, а в функции косинуса, и называют коэффициентом мощности:

cos fi

где:

• P – активная мощность, которая тратится на совершение полезной работы,
• S – полная мощность.

Полная мощность является геометрической суммой активной Р и реактивной Q мощностей, поэтому формулу коэффициента мощности можно записать в следующем виде:

Формула коэффициента мощности через активную и реактивную мощности
В иностранной литературе коэффициент мощности cos φ называют PF (Power Factor). Фактически, это коэффициент, который говорит о сдвиге сигнала тока по отношению к сигналу напряжения.

На самом деле, всё не так просто, подробности ниже.

Легендарный Алекс Жук очень толково рассказал, что такое реактивная мощность, и всё по этой теме:

В видео подробно и доступно изложена вся теория по теме.

Размерности. Что в чём измеряется

Активная мощность Р ⇒ Вт (то, что измеряет домашний счетчик),

Реактивная мощность Q ⇒ ВАР (Вольт · Ампер Реактивный),

Полная мощность S ⇒ ВА (Вольт · Ампер).

Кстати, в стабилизаторах и генераторах мощность указана в ВА. Так больше. Маркетологи знают лучше.

Также маркетологи знают, что на потребителях (например, на двигателях) мощность лучше указывать в Вт. Так меньше.

Определение

Реактивная мощность не выполняет полезной работы. Она обусловлена наличием у потребителя индуктивной или ёмкостной составляющей нагрузки. На предприятиях реактивная мощность возникает при работе электрических двигателей, трансформаторов или ламп ДРЛ. В домашних условиях это моторы пылесосов, стиральных машин или компрессоров холодильников. На корпусе данных агрегатов часто можно увидеть параметр cosф, называемый коэффициентом мощности. Он количественно характеризует долю реактива.

Обратите внимание! Cosф – параметр крайне нестабильный. Он способен меняться в широком диапазоне с течением года и временем суток. Также коэффициент мощности тесно связан с будними и выходными днями.

Все перечисленное служит примером источников индуктивной составляющей. Гораздо реже встречается ёмкостная. К её примерам относятся мощные импульсные блоки питания и всё, что во входной части содержит конденсаторы.

Рекомендации по уменьшению гармонических составляющих питающего напряжения

Для уменьшения гармоник напряжение рекомендуется сделать следующее:

1. На все преобразователи частоты мощностью более 10 кВт в обязательном порядке установить линейные дроссели переменного тока. Лучшим вариантом будет выбор дросселей с высоким импедансом (3-4 %), которые уменьшат уровень гармоник на 15-20%. Кроме того, установка дросселей улучшит надежность и отказоустойчивость преобразователей.
2. На преобразователи частоты мощностью более 35 кВт, кроме дросселей переменного тока, установить дроссели постоянного тока для питания звена постоянного тока. Это дополнительно уменьшит выбросы гармоник в питающую сеть на 5-10%.
3. Применить пассивные LC-фильтры на вводе питания преобразователей частоты и других нелинейных нагрузок.

Для выполнения приведенных рекомендаций желательно обратиться к инструкциям производителей и специалистам.

Креме того, рекомендуется проверить состояние питающих проводов, кабелей, клемм, переходных сопротивлений силовых соединений фазных и нейтральных проводов, качество соединений заземления корпусов электроприборов и т.д. В результате обследования выявлены преобразователи с отключенным заземлением.

PF или DPF?

Здесь надо сделать оговорку. Всё, что я говорил выше про косинус – относится к линейной нагрузке. Это означает, что напряжение и ток, хоть и гуляют по фазе, имеют форму синуса.

Не путать с косинусом!

Но в реальном мире вся нагрузка не только не активная, но и не линейная. Значит, ток через неё имеет хоть и периодическую, но далеко не синусоидальную форму. Искаженная синусоида означает, что кроме первой гармоники имеются и другие, вплоть до бесконечности.

Вот как обстоят иногда дела:

Формы напряжения и тока при нелинейной нагрузке

Гармоники напряжения, тока и мощности

Обычно, когда нагрузка симметричная (трехфазные потребители), за счёт принципов работы все гармоники, кратные 2 и 3, почти отсутствуют. В итоге остаются в основном 5, 7, 11, 13 гармоники, имеющие частоты соответственно частоты 250, 350, 550, 650 Гц.

Поэтому надо понимать, что та теория, что я расписал выше – для идеальных условий (без нелинейных искажений), которых в реале не бывает. Либо, если пренебречь высшими гармониками тока, и взять только первую (50 Гц), что обычно и происходит в жизни.

И если подходить к терминологии строго, то cos φ и PF (Power Factor) – это не одно и то же. PF учитывает также все гармоники напряжения и тока. И с учетом нелинейности реальный PF будет меньше.

Для учета коэффициента мощности в приборе HIOKI есть параметр DPF (Displacement Power Factor, смещённый коэффициент мощности), который учитывает только первую гармонику и равен cos φ.

Коэффициенты мощности полный PF и смещённый DPF (для чистого синуса)

В итоге можно сказать, что справедливо выражение:

cos φ = DPF ≤ PF