FĂĄzisjavĂtĂĄs elmĂŠlete |
A JELEN
Az ipar és a technika rohamos fejlĹdése, a gyártási folyamatokban alkalmazott automatizálási rendszerek és a mindennapi életben is egyre nagyobb számban használt villamos berendezések magukkal vonzzák a villamos energia utáni egyre nagyobb igényt. Az egyre emelkedĹ energia felhasználás miatt, mint a szolgáltató, mint a fogyasztó számára létkérdés az energia gazdaságos elĹállítása, szállítása, felhasználása. A szolgáltatót elĹírások kötelezik a megfelelĹ nagyságú és minĹségĹą energia rendelkezésre bocsátására, a fogyasztónak pedig érdeke ennek az energiának a leghatékonyabb felhasználása. Az egyes fogyasztók szokásai, a hálózathoz kapcsolt villamos fogyasztóiknak a tulajdonságai szerteágazóak, emiatt a villamos hálózatra gyakorolt hatásuk is sokrétĹą. Vannak fogyasztók, amelyek a vételezett villamos energiát nem tudják maradéktalanul felhasználni vagy átalakítani, mĹąködésük közben nem hasznosítható, úgy nevezett meddĹ energiát hoznak létre.
MIÉRT VAN EZ?
Minden elektromágneses elven mĹąködĹ készülék a mĹąködéséhez - elektromágneses mezejének fenntartásához - meddĹ teljesítményt is vesz fel a hálózatból. Ahogy a neve is utal rá (MeddĹteljesítmény), ez a teljesítmény nem alakul át mozgási vagy hasznos hĹ- illetve fényenergiává. A meddĹ áram ugyan úgy terheli az erĹmĹą generátorát, a generátortól a csatlakozási pontig terjedĹ szolgáltatói hálózatot illetve a fogyasztói hálózatot is. A meddĹ energia szállításának több nemkívánatos következménye is van: feszültségesés, kábelek melegedése, veszteségek növekedése. A meddĹ energia "káros" hatásai elsĹsorban az elosztó hálózatot, vagyis az áramszolgáltatót terhelik, viszont a végfelhasználók villamos fogyasztói okozzák ennek kialakulását. A meddĹ energiát csökkenteni kell, ezért szükségessé vált a fogyasztók gazdasági érdekeltségét is bevezetni, ami azt jelenti, hogy a villamos szolgáltató a keletkezĹ meddĹ energiát a fogyasztókra terheli. A fogyasztókat a meddĹ energia díjának minimálisra csökkentése ösztönzi arra, hogy olyan berendezést telepítsen a hálózatára, amely a saját meddĹ energia igényét minimalizálja, szükség esetén kompenzálja. Az alábbiakban röviden összefoglaljuk a meddĹ energia kialakulásának okait, fizikai magyarázatokkal megmutatjuk a csökkentésük lehetĹségeit, megoldásokat, berendezéseket kínálunk a meddĹ energiák kompenzálására.
A TELJESÍTMÉNYEK FOGALMA VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ HÁLÓZATOKBAN
Feszültség: A feszültség megmutatja, hogy az elektromos mezĹ az egységnyi pozitív töltésen mennyi munkát végez miközben egyik pontból a másikba mozgatja., []
A villamos energia hálózat feszültségének idĹbeli alakulása szinuszosan váltakozó, szemléltetésére az u(t)=Ûâsinâ ωt függvény alkalmazható.
Elektromos áramerĹsség: Az elektromos áramerĹsség, (irányított felületre vonatkozó mennyiség), értéke megmutatja a teljes felületen idĹegység alatt átáramlott töltést. , [A] A villamos energia hálózat áramának idĹbeli alakulása szinuszosan váltakozó, az szemléltetésére az i(t)=Îâsinâ ωt függvény alkalmazható.
Látszólagos teljesítmény: A feszültség és a vele tetszĹleges fázisszöget bezáró áram effektív értékének a szorzatát látszólagos teljesítménynek nevezzük. SI rendszerben a teljesítmény mértékegysége voltamper [VA]. [VA] Hatásos teljesítmény: az (U) feszültséghez viszonyítva az (I) áram (j) fázisszöggel késik, vagyis a hatásos (vagy wattos) teljesítményt a feszültség és a vele azonos fázisban lévĹ áramösszetevĹ hozza létre. SI rendszerben a teljesítmény mértékegysége watt [W]. [W]
MeddĹ teljesítmény: Egy ideális tekercs (wattos veszteség nélküli) egy teljes periódus elsĹ 90°-a alatt teljesítményt vesz fel (+), hogy az ezt követĹ 90° alatt a hálózatba visszaadja (-). A meddĹ energia, ezáltal, a hálózati frekvencia kétszeres ritmusában ingadozik a tekercs (motor) és a transzformátor szekunder oldala között. A tekercs a mágneses tér kialakításához szükséges teljesítményt nem használja fel, csak tárolja. A mágneses tér megszĹąnésekor a meddĹ teljesítmény (lengĹ teljesítmény) visszafolyik a transzformátorhoz. Ha az áramot eltoljuk 90º -kal , azaz , és így számoljuk ki a periódus alatti átlagos teljesítményt, akkor . [VAr]
Ezt nevezzük meddĹ teljesítménynek. SI rendszerben a teljesítmény mértékegysége voltamper reaktív [VAr]. A meddĹteljesítmény arányos azzal az energiával, ami a reaktív elemekben ki-be pumpálódik egy periódus alatt.
Az egyes teljesítmények meghatározásai alapján a következĹ megállapításokat tehetjük: - a villamos hálózatból felvett teljesítményt a Látszólagos Teljesítmény(S) határozza meg - a felvett teljesítménybĹl hasznos munkát a Wattos Teljesítmény(P) végez - a nem hasznosítható felvett teljesítmény nagyságát a MeddĹteljesítmény(Q) határozza meg - az egyes teljesítmények közti összefüggés S²=P²+Q²
Egy villamos hálózatot mindig a Látszólagos Teljesítmény nagyságára méretezünk! Célunk a villamos energia leggazdaságosabb felhasználása, ezért a képlet alapján, ha a MeddĹteljesítményt nullára csökkentjük, akkor a villamos hálózatból felvett Látszólagos Teljesítmény nagysága megegyezik a hasznos munkát végzĹ Wattos Teljesítménnyel. A MeddĹteljesítmény csökkentését Teljesítménykompenzálásnak, MeddĹkompenzálásnak, vagy Fázisjavításnak nevezzük.
1. Áramköri elemek viselkedése szinuszos váltakozó áramú körben:
1. 1 A váltakozófeszültségre kapcsolt ideális ellenállás Ha R (ideális) ellenállásra u váltakozófeszültséget kapcsolunk, azon i áram indul meg. Az Ohm-törvény a pillanatértékekre is érvényes, ezért [A] azaz, az áram a feszültség ütemében változik, a két mennyiségnek egyszerre van a nullátmenete, a maximális és a minimális értéke: az ellenálláson átfolyó áram és a rajta esĹ feszültség között nincs fáziskülönbség. (1.ábra)
1.2 A váltakozófeszültségre kapcsolt ideális kondenzátor Ha egy ideális kondenzátort váltakozó áramú generátorra kapcsolunk, a generátor feszültségének állandó változása következtében a kondenzátor mintegy „folyamatosan áttöltĹdik”, így rajta folyamatosan váltakozó áram folyik. Matematikai eszközökkel kimutatható, hogy az így kialakuló áram és a kondenzátor kapocsfeszültsége között hasonló jellegĹą a kapcsolat, mint az egyenfeszültségrĹl, ellenálláson keresztül töltött kondenzátor esetében: amikor a kondenzátor kapocsfeszültsége 0, akkor folyik a legnagyobb töltĹáram, és amikor kapocsfeszültsége a maximális, a töltĹ áramnak épp akkor van a 0-átmenete (2. ábra).
Megállapíthatjuk, hogy (szinuszos áramú áramkörben) a kondenzátoron az átfolyó áram és a kapocsfeszültség között 90° () fáziseltérés mutatkozik, és pedig - ω irányát figyelembe véve - az áram siet a feszültséghez képest.
Kimutatható, hogy a kialakuló áram nagysága
[A]
A kondenzátorra kapcsolt váltakozó feszültség és az ennek hatására kialakuló áram hányadosa Ohm törvénye értelmében egy ellenállás dimenziójú mennyiséget határoz meg, melyet a kondenzátor reaktanciájának vagy meddĹ ellenállásának neveznek és XC-vel jelölnek. A képlet átrendezésével: [Ω]
1.3 A váltakozó feszültségre kapcsolt ideális tekercs (induktivitás) Ha szinuszos váltakozó feszültségĹą generátorra L induktivitás kapcsolódik. A generátor feszültségének állandó változása következtében a tekercsen indukálódó feszültség (és így a kialakuló áram is) folyamatosan változik, az áramkörben váltakozó áram folyik. (3.ábra)
A tekercsben önindukció útján keletkezĹ feszültség mindig megegyezik a generátor feszültségével.
[V]
Az összefüggés alapján belátható, hogy ez a feszültség akkor a legnagyobb, amikor az áram változási sebessége a legnagyobb: az áram nullátmeneténél. Amikor viszont az áram változási sebessége 0 (a pozitív ill. negatív csúcsértékénél), akkor az indukált feszültség értéke 0. Tehát a tekercsen kialakuló áram és feszültség között hasonló a kapcsolat, mint az egyenfeszültségre kapcsolt tekercs bekapcsolási folyamatánál: a feszültség maximális értékénél az áram 0, az árammaximum idĹpontjában pedig a feszültségé. Megállapítható, hogy (szinuszos áramú áramkörben) a tekercsen az átfolyó áram és a kapocsfeszültség között 90° () fáziseltérés mutatkozik, és pedig a feszültség siet az áramhoz képest.
Kimutatható, hogy a kialakuló áram nagysága
[A]
A feszültség és az áram hányadosa itt is ellenállás dimenziójú mennyiséget (az áram és a feszültség közötti 90° (Π/2 radián) fáziskülönbség figyelembe vételével reaktanciát) határoz meg, melynek értéke a képlet átrendezésével:
[Ω]
A fenti alapvetĹ áramköri elemek tulajdonságainak rövid ismertetésébĹl az alábbi összefüggéseket láthatjuk. Az induktivitás és a kapacitás azaz a tekercs és a kondenzátor villamos jellemzĹi szinuszosan váltakozó feszültségĹą körökben egymás hatásaink kioltására alkalmasak. Ipari szinten a villamos fogyasztók jelentĹs része induktív jellegĹą tekercseket tartalmazó fĹként villamos hajtásokból, tápegységekbĹl és feszültség átalakítókból álló fogyasztói csoportok. Megállapítható, hogy az induktív jellegĹą villamos fogyasztók káros hatásainak kompenzálására kapacitív jellegĹą fogyasztók áramkörbe való bekapcsolásával lehet védekezni. Ennek jelenleg az egyik legmegfelelĹbb ipari szintĹą megvalósítása a kondenzátorok beiktatása.
A MEDDĹTELJESÍTMÉNY KOMPENZÁLÁS MEGVALÓSÍTÁSA
induktív meddĹ áram megszüntetése egy olyan kompenzáló árammal lehetséges, amelynek pillanat értéke mindig ellentétes, a megszüntetni kívánt árammal. Ilyen áramot kapacitív meddĹ árammal tudunk létrehozni. Tehát a Fázisjavítás azt jelenti, hogy a kompenzálni kívánt hálózaton a megszüntetendĹ induktív meddĹ áram nagyságával megegyezĹ kapacitív meddĹ áramot folyatunk át. EA legtöbb villamos fogyasztó mĹąködése közben úgynevezett induktív meddĹ áramot is létrehoz. Ez az áram a rajta megjelenĹ feszültséghez képest fáziseltolásban van. Cél ennek a fáziskülönbségnek a megszüntetése. Innen származik a Fázisjavítás elnevezés. Az zt fizikailag a villamos hálózatra kapcsolt kondenzátorokkal valósíthatjuk meg. (ábra)
FüggĹen a hálózathoz kapcsolt fogyasztóktól, fogyasztási csoportoktól és a hálózat felépítésétĹl, több kompenzálási eljárás ismert. - fix kompenzálás - egyedi kompenzálás - csoportos vagy leágazás kompenzálás - központi kompenzálás
Fix kompenzálás A kompenzáló kondenzátor fixen csatlakoztatva van a hálózathoz, közvetlenül a kompenzálni kívánt berendezés betáplálási pontján. Ez az eljárás ott alkalmazható, ahol a fogyasztás, mĹąködtetés állandó (pl. transzformátorok, aszinkron motorok)
ElĹnyei: · A meddĹenergia kompenzálás közvetlenül ott történik, ahol az igény fellép; · a meddĹenergia szállítás rövid úton történik; · a veszteség és feszültségesés nem jelentĹs; · a kialakítás egyszerĹą.
Hátrányai: · ha sok villamos fogyasztó kell helyileg kompenzálni, akkor drága, nincs arányban az ár az elérhetĹ hatásfokkal · túlkompenzálás gyakran elĹfordulhat; · rossz kihasználtság (olyan készülék, amely ritkán kerül használatra) · az elvbĹl adódóan nincs szabályzási lehetĹség
Egyedi kompenzálás A kompenzáló berendezés kialakítása teljes mértékben a kompenzálni kívánt berendezés tulajdonságaihoz igazodik (speciális környezet, speciális igénybevétel) . Kialakítása lehet kézi kapcsolású vagy automatikus vezérlésĹą.
ElĹnyei: · A meddĹenergia kompenzálás közvetlenül ott történik, ahol az igény fellép; · a meddĹenergia szállítás rövid úton történik; · a veszteség és feszültségesés nem jelentĹs; · több villamos fogyasztó esetén is hatékony · automatikus vezérlésnél nincs túlkompenzálás
Hátrányai: · az egyedi kialakításból adódóan magasabb költséggel gyártható a fix kompenzálásnál · üzemeltetése költséges · kézi kapcsolásnál nincs szabályzási lehetĹség
Csoportos vagy leágazás kompenzálás Gyártórészek, gépcsoportok, tápszakaszok kompenzálását és tehermentesítését végzĹ automatikus vezérlésĹą berendezések, amelyek a kompenzálni kívánt csoportok vagy leágazások közös fĹágában végzik a feladatukat. EbbĹl adódóan csak az ehhez az ághoz kapcsolódó fogyasztók kompenzálását látja el, a teljes tápláló hálózatét nem. A csoportos kompenzálás is lehet egyedi.
ElĹnyei: · alacsony kondenzátorköltség; · a veszteség és feszültségesés nem jelentĹs · alkalmazásával a jól méretezett leágazások maradéktalanul kiterhelhetĹk Hátrány: · a teljes tápláló hálózat nincs tehermentesítve; · túlkompenzálás illetve alulkompenzálás elĹfordulhat.
Központi kompenzálás Adott üzem illetve létesítmény teljes meddĹ teljesítményét úgy kompenzáljuk ki, hogy a fĹgyĹąjtĹ sínre kapcsoljuk a fázisjavító berendezést. A betáplálási pontnál elhelyezett külön áramváltó szolgáltatja a mérési eredményeket. A fázisjavító berendezésben elhelyezett vezérlĹ automatika feldolgozza ezeket az eredményeket és automatikusan szabályozza a kondenzátorcsoportok ki illetve bekapcsolását a megfelelĹ kompenzálás elérése érdekében.
ElĹnyei:
· a kompenzáló áram létrahozása egyetlen ponton történik; · a meddĹ teljesítmény a legjobb hatásfokkal kompenzálható ki; · az egyszerĹą bĹvíthetĹség; · az automatikus szabályozás; · távfelügyeleti (épület-felügyeleti) rendszerekhez illeszthetĹ
A FÁZISJAVÍTÓ BERENDEZÉS MÉRETEZÉSÉNEK ÉS KIALAKÍTÁSÁNAK ALAPELVEI
A fázisjavító berendezés által szolgáltatott meddĹ teljesítmény értékét a hálózati feszültség és a frekvencia határozza meg. A meddĹ teljesítmény nagysága a frekvenciával és a feszültség négyzetével egyenesen arányos. [VAr], ahol A fázisjavító berendezés teljesítményének meghatározása többféle módszerrel történhet: · a beépítendĹ villamos fogyasztók mĹąszaki dokumentációi alapján becsléssel; · villamos fogyasztás számlája alapján számítással; · üzemi körülmények között teljes hálózat analízissel (méréssel). · TeljesítménytényezĹ (tgφ) és a Wattos Teljesítmény ismeretében számítással
Az elektronikus készülékek- elsĹsorban a félvezetĹ alapú teljesítmény elektronikát tartalmazó berendezések- a villamos hálózathoz kapcsolódva felharmonikus áramok megjelenését okozzák. A keletkezĹ felharmonikusok vezetett zavar formájában, a hálózathoz kapcsolt többi fogyasztóban mĹąködési zavart, meghibásodást okoznak. A Fázisjavító Berendezések kondenzátorai különösen érzékenyek ezekre a zavarokra. Példák Ha ismerjük hálózat tulajdonságait (teljesítmények, feszültség-áram THD, feszültség-áram felharmonikusok) könnyen kiválaszthatjuk a megfelelĹen illesztett és a hálózattal harmonizáló Fázisjavító Berendezést.
Standard berendezések A standard berendezés csak kondenzátorokat tartalmaz. A berendezés minden gyakorlati frekvencia tartományban kapacitív jellegĹą, így a transzformátor induktivitásával együtt egy rezgĹkört alkot, a külsĹ hálózat felĹl nézve sorosat, a belsĹ hálózat felöl nézve pedig párhuzamosat. Ennek eredményeként mind a külsĹ hálózatból eredĹ feszültség felharmonikusokat, mind a belsĹ hálózatból származó áram felharmonikusokat felerĹsíti. Emiatt csak enyhén szennyezet hálózatokhoz javasolt, ahol a kritikus felharmonikusok (3. 5. 7. 9. 11.) alacsony amplitúdóval vannak jelen. A kondenzátorok névleges feszültség szintje 440V. Torló fojtós berendezések A fojtott fázisjavító berendezés felépítése a standard fázisjavító berendezéstĹl annyiban tér el, hogy minden kondenzátor fokozat egy fojtótekerccsel van sorba kötve. A soros rezgĹkörök jellegébĹl következĹen a rezonancia frekvencia alatti tartományban a fojtott fázisjavító berendezés kapacitív jellegĹą, az a feletti tartományban pedig induktív. A soros induktivitások megvédik a kondenzátorokat a káros felharmonikusoktól, de a hálózat felharmonikus szĹąrésére nem alkalmasak! A fojtott berendezések méretezésénél a legfontosabb a megfelelĹ fojtási tényezĹ és a hozzá tartozó rezonancia frekvencia kiválasztása. A rezonancia frekvenciának a kritikus felharmonikusok közül elĹforduló legalacsonyabb felharmonikus frekvencia alatt kell lennie. Ha például az 5. a legkisebb felharmonikus, úgy 250 Hz-nél kisebb rezgĹköri frekvenciát kell választani.
A gyakorlatban alkalmazott fojtási tényezĹk: · 5,5%-os torló fojtós kivitelĹą berendezés (214Hz-re hangolt soros rezgĹkör); · 7%-os torló fojtós kivitelĹą berendezés (189Hz-re hangolt soros rezgĹkör). · 8%-os torló fojtós kivitelĹą berendezés (177Hz-re hangolt soros rezgĹkör); · 12,5%-os torló fojtós kivitelĹą berendezés (141Hz-re hangolt soros rezgĹkör). · 14%-os torló fojtós kivitelĹą berendezés (134Hz-re hangolt soros rezgĹkör);
A fojtási tényezĹ (p) a következĹképpen határozható meg: p (%-ban) = XL / XC, ahol XL - a fojtótekercs reaktanciája fn hálózati frekvencián (50Hz-en); XC - a kondenzátor reaktanciája fn hálózati frekvencián (50Hz-en) ; vagy p (%-ban) = 100 x (fn / fres)2, ahol fn - hálózati frekvencia; fres - a rezgĹkör rezonancia frekvenciája
A fojtási tényezĹ által meghatározott rezonancia frekvenciát az áramszolgáltatói hangfrekvenciás körvezérlĹ jelnél és a hálózaton jelenlévĹ legkisebb felharmonikusnál kisebbre kell kiválasztani. Ily módon egyetlen felharmonikus sem erĹsítĹdik, valamint a körvezérlĹ generátor túlterhelésének a lehetĹsége is elkerülhetĹ.
Fojtott fázisjavító berendezést kell alkalmazni, ha az alábbi feltételek közül legalább egy teljesül: · a mért feszültség felharmonikusok a szabványban elĹírt értékeket meghaladják; · a kikompenzáláshoz szükséges meddĹteljesítmény a transzformátor névleges tetjesítményének 40%-ánál nagyobb. Ebben az esetben ugyanis a transzformátor induktivitása és a kondenzátor kapacitása által képzett rezgĹkör rezonancia pontja a 7-8. felharmonikus környékére esik, és így az 5., 7. és a 11. felharmonikusok (a gyakorlatban ezek a felharmonikusok vannak jelen leginkább a hálózaton) nagymértékben felerĹsĹdnek; · a felharmonikusok által képzett kondenzátor túláramok a névleges kondenzátor áram 10% - át meghaladják. A felharmonikus összetevĹk arányának a pontos meghatározása csak hálózat analízissel lehetséges. Ha már elvégeztünk egy hálózat analízist, akkor a fojtási tényezĹ végleges megállapítása elĹtt még a következĹ kérdésekre kell választ adnunk:
Mivel egy soros rezgĹkör impedanciája annak rezonanciafrekvenciájánál megközelítĹleg nulla, ennek a frekvenciának a közelében lévĹ valamennyi jel a hálózatból a kondenzátorra jut. Ez természetesen a kondenzátorok nagyobb megterhelését jelenti. Ha a körvezérlĹ jel frekvenciája a rezonanciafrekvencia közelében van, annyira lecsökken, hogy a csatlakoztatott vevĹkészülékeket már nem lehet megszólítani. Fojtótekercs és kondenzátor soros kapcsolásakor a fojtó megemeli a kondenzátor feszültségét. A feszültségnövekedés annál nagyobb, minél nagyobb a fojtási tényezĹ. Emiatt a meglévĹ nem fojtott berendezéseknél utólagosan csak a kondenzátorok cseréjével lehet fojtást alkalmazni. Fojtott berendezések méretezésénél a kondenzátorok feszültségszintjének kiválasztásakor ezt minden esetben figyelembe kell venni!
Gyors kapcsolású Tirisztoros berendezések Az eddig tárgyalt kialakítási lehetĹségek (mind a standard, mint a fojtott) közös jellemzĹje, hogy a fokozatok kapcsolását elektromechanikus eszközök (mágnes kapcsolók) végzik. Az ipar egyes területein alkalmaznak olyan gépeket, eszközöket, melyek hirtelen, impulzus jellegĹą, gyors dinamikával rendelkezĹ, nagy áramlökésekkel járó terhelést jelentenek a hálózat számára. Ilyenek például az ívhegesztĹ gépek, ívkemencék, plazmavágók, nagy sebességĹą excenter prések. A Fázisjavító Berendezések mĹąködetésének egyik alap szabálya, hogy a hálózatról leválasztott kondenzátort csak az elĹre definiált kisütési idĹ (30-60s, típustól függĹen) letelte után szabad újra a hálózathoz kapcsolni. Ennek az az oka, hogy a kondenzátorban lévĹ feszültség a visszakapcsoláskor hozzáadódhat a hálózat feszültségéhez, ami a kondenzátor és a hálózathoz kapcsolt többi fogyasztó meghibásodását is okozhatja. A példában említett berendezések, tulajdonságaikból adódóan a kisütési idĹn belül többször is képesek a hálózat terhelését szélsĹségesen megnövelni-csökkenteni. A hagyományos kapcsolóeszközök, és a kisütési idĹ következetes betartása együttesen azt eredményezi, hogy a Fázisjavító Berendezés tehetetlenül reagál ezekre a változásokra, nem képes követni azt, a kompenzálás hatástalan. Megoldást egy korszerĹą, gyors kapcsoló eszköz használata jelenti, amely képes ezeket a terhelésváltozásokat követni. A Tirisztor Kapcsolóval felépített berendezéseknél nincs definiálva a kisütési idĹ, mert a kapcsolóban lévĹ intelligens szabályzó kör a kondenzátor feszültségét mindig hozzáigazítja hálózat feszültségéhez, a kondenzátort mindig a megfelelĹ idĹpillanatban kapcsolja vissza. Ez azt jelenti, hogy akár egy periódus idĹ alatt is, ha szükséges. Ez a kapcsoló eszköz a standard és a fojtott berendezéseknél is egyaránt alkalmazható. |