Статті / Збільшення енергоефективності шляхом компенсації реактивної потужності

Необхідність збільшення енергоефективності промислового виробництва стає дедалі актуальнішою. Це пов'язано з дедалі більшим дефіцитом і збільшенням вартості енергоресурсів, зростанням обсягів виробництва та врешті-решт необхідністю збільшення конкуренції підприємства за рахунок зменшення енергоємності виробництва.

 

Більшість промислових споживачів електроенергії поряд з активною потужністю споживають і реактивну потужність, яка витрачається на створення електромагнітних полів і є марною. Наявність в електромережі реактивної потужності знижує якість електроенергії, призводить до збільшення плати за електроенергію, додаткових втрат і перегріву проводів, перевантаження підстанцій, необхідності завищення потужності силових трансформаторів та перерізу кабелів, просідання напруги в електромережі.

 

В даний час навантаженням електричної мережі змінного струму промислових підприємств в основному є асинхронні двигуни та розподільні трансформатори, що мають значну індуктивність. Тому дані пристрої в процесі роботи за рахунок ЕРС самоіндукції генерують реактивну потужність, яка, коливаючи рух від навантаження до джерела (генератору) і назад, поширюється по мережі.

 

Індукційні приймачі енергії або споживачі реактивної потужності

• Трансформатор. Він є одним з основних ланок передачі електроенергії від джерела електричної енергії до споживача і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції системи змінного струму однієї напруги в систему змінного струму іншої напруги при незмінній частоті і без істотних втрат потужності.
• Асинхронний двигун. Асинхронні двигуни поряд із активною потужністю споживають до 65% реактивної потужності енергосистеми.
• Індукційні печі. Це великі електроприймачі, що вимагають своєї дії велика кількість реактивної потужності. Індукційні печі промислової частоти часто використовуються для плавки металів.
• Перетворювальні установки, що перетворюють змінний струм на постійний за допомогою випрямлячів. Дані установки широко застосовуються на промислових підприємствах та залізничному транспорті, який використовує постійний струм.

Споживача зазвичай цікавить активна потужність у навантаженні, що й визначає корисну роботу. Генерація навантаженням реактивної потужності підвищує повну потужність, що проходить по мережі. Повна потужність (S) дорівнює кореню з геометричної суми P – активної потужності та Q – реактивної потужності.

 

Генерація реактивної потужності навантаженням супроводжується негативними явищами, такими як:

• підвищення активних втрат (бо величина повної потужності підвищується);
• зниження здатності навантаження (т. до. збільшується струмове навантаження на живильний кабель і розподільчий трансформатор);
• більше падіння напруги (через збільшення реактивної складової струму мережі живлення).

Хоча для вироблення реактивної потужності не витрачається енергія генератора, але для передачі її у мережі потрібно додаткова, активна енергія генератора. Додатковий реактивний струм, проходячи по мережі, викликає не тільки активні втрати потужності у проводах мережі та генератора, а й зменшує допустиму активну складову струму мережі живлення, бо перетин кабелю живлення розрахований під максимальне навантаження. Рівень реактивної потужності двигунів, генераторів та мережі підприємства в цілому характеризується коефіцієнтом потужності cos φ - це чисельне відношення активної потужності до повної потужності: cos φ = P/S. Наприклад: cos φ асинхронних двигунів становить приблизно 0,7; cos φ зварювальних трансформаторів - приблизно 0,4; cos φ верстатів вбирається у 0,5. Тому повне використання потужностей мережі можливе лише при компенсації реактивної складової потужності.

 

До чого призводить відсутність компенсації реактивної потужності у споживачів

• У трансформаторів при зменшенні cos φ зменшується пропускна здатність активної потужності внаслідок збільшення реактивного навантаження.
• Збільшення повної потужності при зниженні cos φ призводить до зростання струму і, отже, втрати потужності, які пропорційні квадрату струму.
• Збільшення струму потребує підвищення перерізів проводів та кабелів, зростають капітальні витрати на електричні мережі.
• Збільшення струму при зниженні cos φ веде до збільшення втрати напруги у всіх ланках енергосистеми, що спричиняє зниження напруги у споживачів.
• На промислових підприємствах зниження напруги порушує нормальну роботу електроприймачів. Знижується частота обертання електродвигунів, що призводить до зниження продуктивності робочих машин, зменшується продуктивність електричних печей, погіршується якість зварювання, знижується світловий потік ламп, зменшується пропускна здатність заводських електричних мереж, а як наслідок - погіршується якість продукції.

Застосування ємнісних компенсаторів реактивної потужності дозволяє знизити обсяг споживаної індуктивної реактивної потужності та досягти економічного ефекту в питаннях енергозбереження. Існує кілька способів зниження реактивної потужності, проте застосування для цих цілей саме конденсаторних установок є найкращим. Конденсаторні установки мають малі втрати, прості в налагодженні та експлуатації, їх можна підключити у будь-якій точці електромережі. З їхньою допомогою можна компенсувати практично будь-який обсяг реактивної потужності.

 

Принцип роботи ємнісного компенсатора реактивної потужності полягає в тому, що реактивна потужність при цьому вже не переміщається між генератором і навантаженням, а здійснює локальні коливання між реактивними елементами індуктивними обмотками навантаження і ємнісним компенсатором. При цьому для зниження втрат, що викликаються перетіканням реактивної потужності, необхідно компенсатор розташовувати якомога ближче до навантаження.

 

Як комутуючий елемент у конденсаторних установках можуть застосовуватися контактори або тиристори.

 

Контакторні конденсаторні установки набули найбільш широкого поширення в силу більш простої реалізації та низької вартості порівняно з тиристорними (статичними) конденсаторними установками. Однак на промислових підприємствах досить часто навантаження має різко змінний характер, у таких випадках контакторні компенсатори малоефективні через недостатню швидкодію механіки контакторів. Більш того, контактори мають обмежену розрахункову кількість спрацьовувань, що при інтенсивних перемиканнях призводить до передчасного виходу з ладу компенсатора.

 

Вказаних вище недоліків контакторних компенсаторів позбавлені тиристорні компенсатори реактивної потужності. Тиристори мають набагато більшу швидкодію, що дозволяє виконувати компенсацію реактивної потужності в умовах швидкозмінного навантаження. А також не мають обмежень на кількість перемикань, оскільки є повністю електронними елементами, без механічних частин, що рухаються. А те, що комутація конденсаторів в тиристорних установках конденсаторів відбувається при нульовому значенні струму, значно збільшує термін служби як конденсаторних батарей, так і всієї установки в цілому.

 

НВП «Міконт» виробляє тиристорні компентатори реактивної потужності (ТКРМ) в діапазоні 50...1000 кВАр для трифазних електричних мереж 400 В та 660 В.

 

 

Тиристорний компенсатор ТКРМ-500/0,4-07-90-Д-УХЛ4

номінальная потужність 500 кВАр,

напруга живлення 380 В, номінальний струм 750 А

 

 

Тиристорний компенсатор ТКРМ-500/0,4-07-90-Д-УХЛ4

(внутрішна побудова)

 

 

Модуль тиристорного компенсатора потужністю 120 кВАр

Склад: ємності компенсації, запобіжники, тиристори,

формувач імпульсів керування тиристорами,

антирезонансні реактори

 

ТКРМ-500/0,4-07-90-Д-УХЛ4 є закінченим комплектним пристроєм, проте вимагає підключення трансформаторів струму по двох фазах для вимірювання та регулювання потужності. Складається із системи управління, панелі індикації, чотирьох регульованих блоків та одного нерегульованого блоку з конденсаторами.

 

Тиристорний компенсатор реактивної потужності укомплектований вступним автоматичним вимикачем, що забезпечує захист ТКРМ від надструмів, а також захист обладнання підстанції від внутрішніх коротких замикань ТКРМ.

Кожен із конденсаторних блоків забезпечений додатково запобіжниками, встановленими у двох фазах. Запобіжники забезпечують селективний захист ТКРМ від надструмів усередині окремих блоків. Захист від перенапруг здійснюється блоком варисторів, яким укомплектовано стаціонарний блок. Мікропроцесорна система управління укомплектована внутрішніми датчиками, що дозволяють відстежити пропадання напруги власних потреб та відключити ТКРМ.

 

На панелі індикації відображаються такі параметри:

• лінійна напруга a-b, В;
• лінійна напруга b-c, В;
• струм навантаження фази а, А;
• струм навантаження фази с, А;
• струм конденсаторної батареї фази а;
• струм конденсаторної батареї фази с;
• коеффіцієнт потужності (cos φ);
• реактивна потужність, вКАр;
• активна потужність, кВт;
• повна потужність, кВА.

У сучасних мережах електропостачання через нелінійність навантаження (наприклад при роботі імпульсних стабілізаторів та перетворювачів електроенергії) виникають вищі гармоніки струму, які за своєю величиною часто стають сумірними з основною гармонікою. Конденсатори установок компенсації реактивної потужності разом із індуктивністю навантаження можуть утворювати коливальні контури, близькі за частотою резонансу до частоти однієї з вищих гармонік. Це призводить до значного збільшення струму конденсаторів та суттєво скорочує їх термін служби. Перенапруги, що виникають при резонансі на елементах конденсаторної установки та навантаження, можуть призвести до пробою ізоляції. Для усунення подібних проблем, а також для оптимізації характеристик компенсатора до впровадження ТКРМ виконується дослідження електромережі замовника. Для придушення резонансів застосовуються реактори, налаштовані частоту найбільш значних гармонік.

 

Нижче наведено реальні результати дослідження електромережі споживача до і після впровадження ТКРМ.

 

Добовий графік споживання активної (P) та реактивної (Q) потужності виробничої ділянки

до впровадження компенсатора реактивної потужності

 

Добовий графік коефіцієнта потужності (cos φ) виробничої ділянки

до впровадження компенсатора реактивної потужності

 

Добовий графік споживання активної (P) та реактивної (Q) потужності виробничої ділянки

після впровадження компенсатора реактивної потужності

 

Добовий графік коефіцієнта потужності (cos φ) виробничої ділянки

після впровадження компенсатора реактивної потужності