Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A cikksorozat előző részeiben megismerkedhettünk a teljesítménytényező javításának műszaki és gazdasági előnyeivel. A technika fejlődésével nap mint nap újabb kihívásoknak kell megfelelni, mindez igaz a teljesítménytényező javítása terén is. A felmerülő elvárásokat a villamos energiahálózaton üzemelő fogyasztók támasztják.
Felharmonikusok hatása a teljesítménytényező-javítás mindennapjaiban
A modern félvezető-technológia fejlődésének hatására ezek az eszközök megjelentek a nagyteljesítményű készülékekben is, mint például a szünetmentes áramforrások vagy a frekvenciaváltók. Az ilyen jellegű fogyasztók elterjedésének nem lehet gátat vetni, nem is cél, mert számos problémát küszöbölnek ki, és megbízható energiaátvitelt, szabályozható képességet eredményeznek a nagyteljesítményű berendezések esetében. Sajnos azonban ezek a készülékek a nemlineáris terhelések miatt rossz hatással vannak a váltóáramú hálózatra, mert jelentős induktív teljesítményt és nem szinuszos áramot vételeznek a hálózatból.
Néhány példa a kisfeszültségű nemlineáris fogyasztókra.
Időben állandó: telítődő vasmagot tartalmazó fogyasztók, információtechnológiai berendezések, kompakt fénycső elektronikus előtéttel.
Lassan váltózó: fényerő-szabályozós lámpák, fénymásolók, tirisztorral szabályozott berendezések, mikrohullámú sütő.
Gyorsan változó: fordulatszám-szabályozott villamos hajtások, impulzusszélesség-modulált inverteres hajtások (a terhelési ciklustól függ a besorolás), hegesztőberendezések.
Az ábrákon látható, hogy hogyan változhat meg a hálózat szinuszos jelalakja abban az esetben, ha harmonikussokkal van szennyezve. Egy tipikusnak mondható nemlineáris fogyasztó esetében – a felharmonikusok hatására – a teljesítménytényező javítására alkalmazott kondenzátorok fegyverzeteire nagyobb áramok jutnak, mert a frekvencia növekedésével a kondenzátorok reaktanciája csökken. A kondenzátorra jutó nagyobb áram elviselhetővé tehető bizonyos konstrukciós fejlesztéssel a kondenzátorgyártás során, de ennek is van határa (pl. a manapság alkalmazott kondenzátortelepek 20%-os maximális áram felharmonikus-terheléseket képesek üzemszerűen elviselni).
Feszültség
Áram
A belső hálózaton mindig rezonanciakör jön létre a teljesítménytényezőt javító kondenzátorok, a transzformátor és a főbetáp között. Abban az esetben, ha egy ilyen kör rezonanciafrekvenciája közel esik valamelyik felharmonikus frekvenciához, ez azt eredményezheti, hogy erősíti a rezonanciát, jelentős túláramok és túlfeszültségek lépnek fel a hálózaton.
A keletkező felharmonikus mértéke jelentősen befolyásolja a hálózatra kapcsolt berendezések működését és élettartamát. A nagy áramtorzítás nem csak téves védelmi működéseket idéz elő, de jelentősen csökkenti a kondenzátorok élettartamát az állandó túligénybevétel miatt.
A rezonanciapont helyzete a hálózati induktivitásokból és a kondenzátorok kapacitásából kiszámolható, ezért elméletileg lehetséges volna rezonanciapontot úgy elhelyezni, hogy kevésbé zavaró legyen. A gyakorlatban azonban a hálózati impedancia nem állandó, ezt a hálózati rövidzárási teljesítmény és a rákötött fogyasztók határozzák meg. A hálózati rövidzárási teljesítmény a kapcsolási állapot szerint megváltozik, ha a hálózatra állandóan fogyasztókat kapcsolnak rá és le, mert a párhuzamos rezonancia helye a hálózat állapotának megfelelően eltolódik (a kondenzátortelepek rá- és lekapcsolásakor is). Ezért a meglévő teljesítménytényezőt javító berendezések bővítésekor is figyelembe kell venni a maximálisan beépíthető kondenzátorteljesítményt. Ennek megállapításakor a hálózaton legnagyobb mértékben előforduló felharmonikus rendszámot célszerű figyelembe venni, ezáltal viszonylag egyszerű módon megállapítható az a kondenzátormennyiség, amely még biztonságosan a hálózatra kapcsolható.
E felett a mennyiség felett a biztonságos üzemvitel érdekében célszerű más megoldás után nézni.
A rezonancia elkerülése érdekében nem a hagyományos kondenzátorokat kapcsolják a hálózatra, hanem speciálisan méretezett kondenzátort és vele sorosan kapcsolt fojtótekercset. Ezáltal megakadályozható, hogy létrejöjjön a rezonancia, és az, hogy a kondenzátorok felharmonikus áramterhelődése is jelentősen csökkenjen. A fizikai magyarázat nagyon egyszerű: egy olyan soros rezgőkört hozunk létre, amely a rezonancia frekvenciája alatt kondenzátorként üzemel a hálózaton – ezáltal ellátja a teljesítménytényező-javításra szánt feladatát –, a rezonanciafrekvencia felett pedig mintha egy tekercs lenne a hálózaton, mint például a transzformátor. A soros fojtóval ellátott kondenzátorok méretezésekor három alapvető dolgot kell figyelmembe venni.
A beépített kondenzátormennyiség ne változzon, kapacitása (μF) azonos legyen az úgynevezett hagyományos kondenzátor kapacitásával.
A kondenzátor kapocsfeszültsége a soros rezonncia miatt megemelkedik (emelt feszültségszintű kondenzátorok beépítése szükséges).
A rezonanciafrekvencia ne legyen közel a hálózaton domináns felharmonikushoz.
A fojtott berendezések méretezése
A szükséges meddőteljesítmény meghatározása nem tér el a hagyományos fázisjavító berendezések méretezésekor alkalmazott módszerektől, a számításos vagy a pontos méréssel történő meddőteljesítmény-igény meghatározása teljes mértékben megfelelő. Mindez azzal magyarázható, hogy az alapharmonikus (50 Hz-es) meddőkompenzáció mértéke nem változik meg csak azért, mert más típusú kompenzációt alkalmazunk. A beépített kondenzátormennyiség legpontosabb meghatározásához az összkapacitás ismerete szükséges. Tehát mindegy, hogy milyen típusú meddőkompenzációt (hagyományos, soros fojtóval ellátott) alkalmazunk, a beépített kondenzátormennyiségnek μF-ra egyeznie kell.
A kondenzátor és a fojtótekercs soros kapcsolása esetén a méretezéskor figyelembe kell venni, hogy a fojtótekercsen üzemszerűen fog folyni a kondenzátor árama, ami jelentős melegedést idéz elő, ezért a soros fojtótekercs normál üzemi hőmérséklete 80-100 ºC is lehet.
A tényleges hőmérséklet a fojtótekercs kialakításától, méreteitől függ. A jelentős hőtermelés nagy odafigyelést igényel, fontos tervezési szempont a környezet hűtése, levegőkeringetés, és az esetleges túlmelegedés elleni védelem. A soros kapcsolás másik lényeges tulajdonsága, hogy a kondenzátor kapcsain a feszültség megemelkedik (a soros körön kívül nem észlelhető), és a kondenzátorok kivezetésein mérhető.
Ekkor kerülnek előtérbe az emelt feszültségszintű kondenzátortelepek. A gyakorlatban előfordult (és a jövőben is előfordulhat), hogy a kondenzátorok élettartamának növelése érdekében növelik a feszültségszintjét, de a kapacitás értéke nem változik (pl. 400 és 440 V-on is 3×154 μF). Emiatt, ha a kondenzátor teljesítménye 440 V-ra lett számítva, a hálózati tényleges feszültség (ami 400 V) miatt a teljesítményérték csak 80%-a lesz a megkívántnak.
Az úgynevezett emelt feszültségszintű kondenzátorokat két okból gyártják. Az egyik legtermészetesebb ok: a hálózat névleges feszültsége eltér a megszokott 400 V-tól (ilyenek lehetnek például speciális gyártósorok). A másik felhasználási terület a soros LC (induktivitás és kapacitás) körökben való alkalmazás. Itt a soros kapcsolás hatására a kondenzátorok kapocsfeszültsége megemelkedik. A fojtási fokot ezek alapján határozzák meg, azaz a fojtási tényező (p) a kondenzátor kapcsain mérhető feszültségemelkedés százalékos értéke. A gyakorlatban két fő típusú fojtást alkalmaznak, a 7 és a 14%-ost. Van 5,67%-os is, de nem terjedt el a nagy helyigény és a magas ár miatt, pedig ennek a fojtása van legközelebb a 250 Hz-hez, ahol a kondenzátorok jelentős igénybevételnek vannak kitéve, mert a hálózatokon jelentős az 5. harmonikus-szennyezés.
A fentiek alapján egy 7%-os soros kör alkalmazása esetén 428 V-os feszültség jelenik meg a kondenzátor kapcsain, ez a fő oka az emelt feszültségszintű kondenzátorok alkalmazásának (ebben az esetben például egy 440 V-os kondenzátor tökéletesen megfelel a célnak). A rezonanciapont megválasztása sok tényezőtől függ, a már említett 7 és 14%-os rendszerek esetében a rezonancia-frekvencia 189 és 134 Hz. Ez azt jelenti, hogy e pont (rezonanciapont) alatt a soros rezgőkör hagyományos kondenzátorként viselkedik, és megfelelően ellátja az 50 Hz-en szükséges meddőkompenzációt. A rezonanciapont felett a soros kör induktivitásként jelentkezik, nem erősíti a felharmonikusokat a hálózaton, és nem jön létre rezonancia. A rezonanciapont megválasztásakor a hálózat harmonikusszennyezettségét érdemes megvizsgálni.
Előfordulhat, hogy magas, 5. harmonikus-terhelés esetén a 7%-os, 189 Hz-es rendszer túlterhelődik, mert a 250 Hz-es rendszernek sokkal kisebb az impedanciája, mint a 14%-os, 134 Hz-es rendszeré. A másik dolog, amiről szokás megfeledkezni, egy ilyen passzív szűrőkör elnyelheti az áramszolgáltatók által használt körvezérlő jelet. Ez a probléma leginkább az E-ON és a Démász Rt. területein okozhat gondot, mert ezeken a területeken a körvezérlőjel 183,33 Hz-en van kiadva.
Amint azt részletesen kifejtettük, a fojtótekercs a kondenzátorral sorba kötve biztosítja, hogy a fázisjavító kondenzátortelepbe ne folyjon számottevő harmonikus áram, ne hozzon létre párhuzamos rezonanciát a táphálózattal (ami a hálózat felé folyó harmonikus áramot kiemelné, azaz megnövelné), ugyanakkor alapharmonikus frekvencián szolgáltassa a szükséges kapacitív meddőteljesítményt. A fojtó induktivitását úgy kell megválasztani, hogy a hálózaton a nemlineáris fogyasztók által keltett legkisebb rendszámú harmonikus rendszámnál kisebb legyen az L-C elemek rezonancia-frekvenciája. Ha pl. 150 Hz-re lehet számítani, a fojtózást 125-135 Hz-re kell méretezni. A soros fojtótekercs alkalmazása természetesen költségnövelő, mert a fojtó beépítése miatt növekedik az egységnyi kondenzátorteljesítmény ára, de a nagy veszélyeket rejtő hálózati rezonancia elkerülhető, a hálózati berendezések élettartama növekszik, és nem emelkednek a hálózaton folyó harmonikus áramok.
Azt, hogy pontosan milyen típusú meddőkompenzációt célszerű alkalmazni, legpontosabban méréssel lehet megállapítani. Ez abban az esetben megoldás, ha egy működő irodaházról vagy üzemről van szó. Az áramszolgáltatói előírások miatt általában már a tervezés fázisában eldől a telepítendő berendezés jellege. A döntést a beépítendő berendezések harmonikus- terhelése vagy gyakorlati tapasztalat alapján hozzák meg. Azokon a helyeken, ahol frekvenciaváltókat, félvezetős vezérléseket, egyenirányítókat alkalmaznak, hosszú távon célszerű soros fojtóval ellátott kondenzátortelepeket telepíteni.
Mindezek alapján megállapítható, a soros fojtótekercset tartalmazó meddőkompenzáció az első lépés a paszszív szűrőkörök felé, melyek segítségével csökkenthető a hálózaton lévő harmonikus-terhelés. A passzív szűrőkörök ugyanezen elven működnek, de a hangolásuk jóval közelebb esik a szűrendő harmonikushoz, emiatt az igénybevételek is jelentősen megnőnek. Jelentős odafigyelést igényel a szűrőegység külső hálózat által történő túlterhelődésének elkerülése.
A meddőteljesítmény-kompenzálás is szoros léptekkel követi a technológiai fejlődést. Ma már sok esetben a hagyományosan alkalmazott 30-40 másodperces időszakonkénti elemzés és kapcsolóképesség nem elégíti ki az elvárásokat. A gyorsan (60-80 msec) változó meddőteljesítményt igénylő berendezések, mint például a hegesztőberendezések üzemelése esetén más megoldáshoz kell folyamodni, melynek egyik eleme a soros fojtót tartalmazó meddőkompenzáló egység.
Ennek a problémának lehetséges megoldásait következő cikkünkben ismertetjük.
