Problematika kompenzace jalového výkonu je jednou z hlavních otázek řešených jak ve fázi návrhu, tak ve fázi provozu průmyslových napájecích soustav a zahrnuje výběr vhodných zdrojů, výpočet a regulaci jejich výkonu, umístění zdrojů v el. zásobovací systém.
Než se budeme zabývat problematikou kompenzace jalového výkonu, je nutné zopakovat pojmy a pojmy úzce související s tímto tématem. Připomeňme, že celkový výkon je maximální činný výkon, který lze v obvodu získat při daných skutečných hodnotách napětí a proudu: S=U·I.
Činný výkon zase určuje vykonanou práci nebo přenesenou energii. Jakákoli elektroinstalace je navržena na plný výkon. Vzhledem k přítomnosti fázového úhlu mezi celkovým napětím a proudem φ však není plně využíván. Úhel φ je tedy důležitý, protože určuje hodnoty činného a jalového výkonu při daných hodnotách proudu a napětí:
Р=UIcosφ, Q=UIsinφ. (26.1)
Zdánlivý a jalový výkon neurčuje ani vykonanou práci, ani přenesenou energii. V elektrotechnice se však jalovému výkonu připisuje podobný význam a považuje ho za výkon výstupu, příjmu nebo přenosu určité veličiny, která se běžně nazývá jalová energie.
Díky jalové energii se sice nepracuje, ale bez ní je nemožný provoz jakéhokoli elektrického zařízení, ve kterém se vytváří magnetické pole (motor, transformátor).
Pro jalový výkon jsou přijímány pojmy jako spotřeba, výroba, přenos, ztráty, bilance. Předpokládá se, že pokud proud zaostává ve fázi s napětím (indukční povaha zátěže), pak se spotřebovává jalový výkon a má kladné znaménko, a pokud proud vede k napětí (kapacitní povaha zátěže), pak jalový výkon je generován a má záporné znaménko. Z hlediska výroby a spotřeby existují značné rozdíly mezi jalovým a činným výkonem. Pokud většinu činného výkonu spotřebují přijímače a pouze malé množství se ztratí v síťových prvcích a elektrických zařízeních, pak ztráty jalového výkonu v síťových prvcích mohou být úměrné jalovému výkonu spotřebovanému elektrickými přijímači. Činný výkon generují elektrárny a jalový výkon generují elektrárenské generátory, synchronní kompenzátory, synchronní motory, kondenzátorové banky, tyristorové zdroje jalového výkonu a vedení.
Koncentrace výroby jalového výkonu v mnoha případech není ekonomicky proveditelná z následujících důvodů.
1. Při přenosu významného jalového výkonu dochází ve všech prvcích napájecí soustavy k dodatečným ztrátám činného výkonu a elektřiny v důsledku jejich zatížení jalovým výkonem. Takže při vysílání aktivní Р a reaktivní Q napájení přes prvek napájecího systému s odporem R ztráty činného výkonu budou
Dodatečné ztráty činného výkonu ∆РРzpůsobené tokem jalového výkonu Q, úměrná jeho čtverci. Proto je v mnoha případech přenos významného jalového výkonu z generátorů elektrárny ke spotřebitelům nepraktický, a to i přes nízké jednotkové náklady spojené s jeho výrobou.
2. Dochází k dalším ztrátám napětí, které jsou zvláště významné v regionálních sítích. Například při přenosu síly Р и Q prostřednictvím prvku napájecího systému s aktivním odporem R a reaktivní X ztráty napětí budou
kde ∆Ua je ztráta napětí v důsledku činného výkonu; ∆Uр — ztráty napětí způsobené jalovým výkonem.
Pojem bilance jalového výkonu úzce souvisí s vlivem přenášeného jalového výkonu síťovými prvky na napětí. Bilance jalového výkonu je chápána jako rovnost vyrobeného a spotřebovaného výkonu s povolenými odchylkami napětí na elektrických přijímačích.
3. Zatížení průmyslových napájecích systémů a transformátorů jalovým výkonem snižuje jejich kapacitu a vyžaduje zvětšování průřezů venkovních a kabelových vedení, zvyšování jmenovitého výkonu nebo počtu transformátorů rozvoden atp.
Hlavními spotřebiteli jalového výkonu v průmyslových podnicích jsou asynchronní motory (60–65 % celkové spotřeby), transformátory (20–25 %), ventilové měniče, reaktory, nadzemní elektrické sítě a další přijímače (10 %).
Donedávna byl hlavním standardním ukazatelem charakterizujícím jalový výkon účiník cosφ = P/S. Na vstupech zásobujících průmyslový podnik se měla vážená průměrná hodnota tohoto koeficientu pohybovat v rozmezí 0,92 – 0,95. Nicméně volba poměru P/S jako normativní nedává jasnou představu o dynamice změn skutečné hodnoty jalového výkonu. Například při změně účiníku z 0,95 na 0,94 se jalový výkon změní o 10 % a při změně stejného činitele z 0,99 na 0,98 je nárůst jalového výkonu již 42 %.
Při výpočtech je výhodnější pracovat se vztahem Kрм = Q/P = tgφ, což se nazývá jalový účiník.
Kompenzační metody reaktivní síla
Pro kompenzaci jalového výkonu spotřebovaného elektrickými instalacemi průmyslového podniku používají generátory elektráren synchronní motory, jakož i dodatečně instalovaná kompenzační zařízení – synchronní kompenzátory, kondenzátorové banky a speciální zdroje statického jalového výkonu. .
Synchronní kompenzátory Jsou to lehké synchronní motory bez zatížení hřídele. Mohou pracovat jak v režimu generování jalového výkonu (při buzení kompenzátoru), tak v režimu jeho spotřeby (při podbuzení).
Mezi výhody synchronních kompenzátorů jako zdrojů jalového výkonu patří: pozitivní regulační efekt, který spočívá v tom, že při poklesu napětí v síti roste generovaný výkon kompenzátoru; schopnost plynule a automaticky regulovat generovaný jalový výkon, což zvyšuje stabilitu provozních režimů systému a zlepšuje provozní parametry sítě; dostatečná tepelná a elektrodynamická odolnost vinutí kompenzátoru při zkratu: možnost obnovení poškozených SC provedením oprav.
Mezi nevýhody SK patří zvýšená cena a složitost provozu (ve srovnání např. s BSK) a značná hlučnost při provozu. Ztráty činného výkonu v SC při plném zatížení jsou poměrně značné a v závislosti na jmenovitém výkonu se pohybují v rozmezí 0,011-0,03 kW/kvar.
Synchronní motory, používané pro elektrické pohony, se vyrábějí převážně s účiníkem 0,9 při vedoucím proudu. Jsou účinným prostředkem kompenzace jalového výkonu. Nejvyšší horní mez buzení synchronního motoru je dána přípustnou teplotou vinutí rotoru s časovým zpožděním dostatečným k vynucení buzení při krátkodobých poklesech napětí. Maximální hodnota jalového výkonu závisí na zatížení motoru činným výkonem, dodávaném napětí a technických datech motoru.
Kondenzátory – speciální nádrže určené k výrobě jalového výkonu. Ve své činnosti jsou ekvivalentní přebuzenému synchronnímu kompenzátoru a mohou pracovat pouze jako generátory jalového výkonu. Kondenzátory jsou vyráběny pro jmenovitá napětí 660 V a nižší s výkonem 12,5 – 50 kvar v třífázovém a jednofázovém provedení a pro 1050 V a více s výkonem 25 – 100 kvar – v jednofázovém provedení. Z takových prvků jsou sestaveny baterie kondenzátorů požadovaného výkonu, které lze rozdělit do sekcí. Obvod kondenzátorové banky je určen technickými údaji kondenzátorů a provozním režimem v napájecím systému.
Kondenzátory mají ve srovnání s jinými zdroji jalového výkonu následující výhody:
1) nízké ztráty činného výkonu (0,0025-0,005 kW/kvar);
2) snadnost ovládání (kvůli absenci rotujících a třecích částí);
3) snadnost instalačních prací (nízká hmotnost, nedostatek základů);
4) možnost instalovat kondenzátory v jakékoli suché místnosti.
Nevýhody kondenzátorů zahrnují:
1) závislost generovaného jalového výkonu na napětí
2) citlivost na zkreslení napájecího napětí;
3) nedostatečná pevnost, zejména při zkratech a přepětí.
V sítích do 1000 V se instaluje pouze BSK. V sítích nad 1000 V se instalují BS i SM, za tímto účelem se vyrábějí palivové a energetické zdroje
Instalace kondenzátorů mohou být individuální, skupinové nebo centralizované. Jednotlivé instalace se častěji používají při napětí do 660 V. V těchto případech jsou kondenzátory pevně připojeny ke svorkám přijímače. Tento typ instalace kompenzačních zařízení má významnou nevýhodu – špatné využití kondenzátorů, protože když je přijímač vypnutý, kompenzační systém je také vypnut. V případě skupinové instalace jsou kondenzátory připojeny k distribučním bodům sítě. Současně se mírně zvyšuje využití instalovaného výkonu kondenzátoru. V centralizované instalaci jsou kondenzátorové baterie připojeny k vysokonapěťové straně transformátorové rozvodny průmyslového podniku.
Vznik výkonných přijímačů s ostře proměnlivým zatížením (hlavní pohony kontinuálních a krimpovacích válcoven, obloukové pece na tavení oceli atd.) vedl k potřebě vytvořit zásadně nové zdroje jalového výkonu – statická kompenzační zařízení.
Rázové rázy jalového výkonu, které doprovázejí provoz těchto přijímačů, způsobují výrazné změny napájecího napětí. Navíc tyto přijímače jako nelineární prvky v napájecím systému způsobují další zkreslení proudu a napětí. Proto jsou na kompenzační zařízení kladeny následující požadavky:
vysoká rychlost změn jalového výkonu;
dostatečný rozsah regulace jalového výkonu;
možnost regulace a spotřeby jalového výkonu;
minimální zkreslení napájecího napětí.
Hlavními prvky statických kompenzačních zařízení jsou kondenzátor a tlumivka – elektromagnetické zásobníky energie a ventily (tyristory), které zajišťují její rychlou konverzi.
Na Obr. 26.1 ukazuje některé možnosti pro statická kompenzační zařízení; obsahují filtry pro vyšší harmonické (generující část) a nastavitelnou tlumivku v různých provedeních.
Obr. 26.1 – Statická kompenzační zařízení
Úkolem kompenzace jalového výkonu je tedy provádět opatření, při jejichž realizaci:
– odhadovaná spotřeba energie z napájecího zdroje by byla optimální;
– byla zajištěna rovnováha jalového výkonu při maximálním a minimálním zatížení s minimálními náklady na výrobu a přenos plného výkonu.
Základním principem Q kompenzace je, že u elektráren, které pro svůj provoz Q vyžadují, neodebírají jalový výkon ze soustavy, ale generují jej v podniku pomocí speciálních zařízení účastnících se technologického procesu.
Ideální případ: φ=0, P=max, protože сosφ=1, Q=0.
Q – výměna energie mezi spotřebitelem a zdrojem. Je nutné snížit φ na 0.
Účelem kompenzace Q je určení (výpočet) kompenzačních prostředků pro optimální snížení průtoku Q.
Potřeba stanovení a korekce účiníku je způsobena nelineární zátěží a je spojena se sinusovými proudovými obvody a v lineárním střídavém obvodu napájeném sinusovým napětím se účiník značí cosφ (zde φ je fázový posun úhel mezi sinusovým tvarem napájecího napětí a sinusovým průběhem proudu) a rovný poměru aktivní složky k celkové celkové energii.
Zjednodušeně lze říci, že účiník elektrického obvodu říká, kolik energie může zátěž přijmout ve vztahu k elektrické účinnosti zdroje energie, nebo jinými slovy, pokud spotřebitel přijímá veškerou energii ze zdroje, pak je hodnota cosφ rovna jedné. V praxi se to při velkých předpokladech může stát pouze v malých obvodech s odporovou statickou zátěží a hlavním důvodem poklesu účiníku je to, že elektrický obvod akumuluje určitou část energie. Navíc se vlivem zkreslení průběhu proudu vůči sinusoidě napětí snižuje hodnota účiníku a oba tyto faktory snižují účinnost elektrické sítě a jsou typické i pro moderní monitorovací a řídicí zařízení (např. , tyristorový regulátor-regulátor se zátěží RL).
V sinusových elektrických obvodech, ve kterých protéká nesinusový periodický proud, je nutné vzít v úvahu dvě složky účiníku – složku korelující s fázovým posunem mezi první harmonickou proudu a napětí (stejný cosφ) a související se zkreslením průběhu proudu ve vztahu k průběhu napětí (označeno ץ), pro které se používají následující vzorce.
Výše uvedené vzorce de facto demonstrují zjednodušený přístup k hodnocení skutečné kvality elektřiny v energetické síti, obecně formalizovaný v IEEE 1459, který formalizuje výkon rovnoběžnostěn v sítích s vyššími harmonickými, klíčové vzorce pro výpočty a oficiální terminologii. Navíc „od včerejška“ téměř všechny spotřebitelské a distribuční sítě ve vyspělých zemích světa nejsou „čisté“ a dnes se problém doslova každým dnem zhoršuje kvůli pochopitelné touze majitelů zařízení (předplatitelů) a zásobování energií. společnosti zlepšit své vybavení, metody, metody kontroly a řízení.
Osvědčení
U nás je situace s jalovou energií na základní frekvenci a proudovými a napěťovými zkresleními na nefundamentálních frekvencích „typicky špatná“ a možnosti řešení problému se snížily kvůli nedostatku komponentů pro výkonová zařízení pro jalový výkon. kompenzace a harmonické vyrovnání, které vznikly po ekonomické blokádě Ruska některými zeměmi EU a světa. Implementace plánů energetické strategie země byla zatím de facto odložena a celý balík nových regulačních aktů v této oblasti, včetně odpovědnosti organizace sítě a Účastníka za úrovně toku energie a harmonické zkreslení, spadla do kategorie deklarativní.
- podstata zlepšování kvality elektřiny spočívá v pochopení problému ze strany spotřebitelů i dodavatelů energie a pro elektřinu je charakteristické, že její kvalita striktně závisí na konečném spotřebiteli;
- kompenzaci jalového výkonu provádí ve většině případů účastník z ekonomických důvodů, mnohem méně často se na zařízení provádějí opatření k eliminaci harmonických rušení, což je způsobeno stále malým pochopením negativních harmonických a výhod jejich eliminace. (o skutečných finančních přínosech (přímých a nepřímých) pro podniky při vyrovnávání harmonických).
Perspektivy kompenzace jalového výkonu a harmonického vyrovnávání
Bohužel již nyní lze uznat jako zřejmý fakt, že COVID-19 spolu s agresivním lobbingem IT průmyslu a globální vášní pro elektronická zařízení provedl zásadní a jednoznačně negativní úpravy v přístupu k zajištění kvality elektřiny v nízkých a sítě vysokého napětí.
Ministerstvo průmyslu a obchodu Ruska tak začalo zakládat téměř všechny své programy podpory vývoje na vývoji softwaru, ministerstvo digitálního rozvoje se „rozvíjí“ v oblastech digitální vyspělosti, umělé inteligence, internetu energie atd., a ve vědeckotechnické sféře řešení problému toku jalového výkonu a Metody umělé inteligence, expertní systémy (ES), umělé neuronové sítě (ANN), fuzzy logika a dokonce i genetické algoritmy (GA) jsou posouvány na úroveň harmonických. Všechny nové metody jsou navíc založeny na matematickém modelování „standardních“ energetických sítí, jejichž skutečná účinnost je bez úplného energetického auditu konkrétního zařízení s analýzou celého balíku parametrů kvality elektřiny v síti krajně pochybná.
V důsledku toho by dnes majitelé zařízení neměli očekávat „pomoc zvenčí“, ale je rozumnější vrátit se k tradičním metodám vyrovnávání toku jalové energie a harmonických zkreslení – kondenzátorové jednotky UKRM, UKRMT, UKRMF, UKRMFT, aktivní a/ nebo pasivní harmonické filtry, ale při výběru toho či onoho výkonového zařízení byste se měli držet některých základních pravidel, která vám umožní získat skutečný efekt z použití a jsou podrobněji popsána v následujících informačních materiálech cyklu.
? Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme na Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki
