Villanyszerelők Lapja

Teljesítménytényező-javítás II.

2006. március 1. | Memon Katalin Máthé Béla |  4716 | |

Az alábbi tartalom archív, 13 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Teljesítménytényező-javítás II.

Gazdasági és üzemi érdek az, hogy a hálózatot terhelő meddő teljesítményt megszüntessük vagy legalábbis erősen csökkentsük.

Miért van szükség a teljesítménytényező-javítására?

Az 1. ábrán látható 100 kVA látszólagos teljesítményű transzformátort két, egyenként 50 kW hatásos teljesítményű fogyasztó terheli. A fogyasztók teljesítménytényezője 0,5. A számításokból látható, hogy a transzformátort összesen 200 kVA látszólagos teljesítmény terheli, illetve túlterheli. (A látszólagos teljesítményeket azért lehetett összeadni, mert a fázisszögek – 1 és 2 – azonosak.) Mivel ilyen mértékű túlterhelés nem megengedett, ezért a transzformátort ki kellene cserélni. A transzformátorcsere elkerülhető, ha a teljesítménytényezőt cosφ = 1-re javítjuk, ugyanis ebben az esetben a transzformátor terhelése a 2. ábra szerint S1 + S2 = 100 kVA-re csökken.

1. ábra

2. ábra

A 3. ábrán egy 100 A terhelhetőségű szabadvezeték cosφ = 0,5 teljesítménytényezőjű fogyasztót táplál. A fogyasztó által felvett áram a szabadvezeték teljes keresztmetszetét leköti. Ha a fogyasztó teljesítménytényezőjét cosφ = 1-re javítják, akkor egy újabb, az előzővel azonos teljesítményű fogyasztót csatlakoztathatnak a szabadvezetékre.

3. ábra

4. ábra

Ugyancsak számításokkal lehet igazolni, hogy a teljesítménytényező befolyásolja a közép- és nagyfeszültségen történő villamosenergia-átvitelt, a szállítás üzemi viszonyait, valamint a távvezetéken létrejövő teljesítményveszteségek és feszültségesések nagyságának alakulását is.

A terhelés alatti, illetve zárlati áramkör megszakításakor villamos ív jön létre. A terhelő áram, zárlati áram az íven keresztül tovább folyik. A kapcsolókészülékek közül a megszakítók alkalmasak ívoltó berendezéseik segítségével a villamos ív eloltására, illetve újragyulladásának megakadályozására. A villamos ív oltására az áram nulla átmenetének pillanatában kerül sor, és annál könnyebben végrehajtható, minél kisebb a szétnyíló érintkezők közötti feszültségkülönbség. A 4. ábrán látható, hogy cosφ = 1 esetén az áram nulla átmenetekor a feszültségkülönbség is nulla, míg cosφ csökkenésével az érintkezők közötti feszültségkülönbség nő, és az ív egyre könnyebben gyullad újra.

Összefoglalva, a rossz teljesítménytényező kedvezőtlen hatással van a generátorok, transzformátorok, villamos hálózatok, kapcsolókészülékek, fogyasztók (motorok) üzemére. A motorokban a villamos energia csak mágneses erőtér jelenlétében tud átalakulni mechanikai energiává, a mágneses erőtér fenntartásához pedig induktív meddő áramra van szükség. Ez azt jelenti, hogy a motorban lévő tekercsek keresztmetszetének, valamint a villamosenergia-átvitelben résztvevő villamos hálózatok vezetőinek a transzformátorokban lévő tekercseinek keresztmetszetének egy részét a meddő áram szállítása köti le. Éppen ezért törekedni kell arra, hogy a villamos energia átalakításhoz csak a feltétlenül szükséges meddő áramot, meddő teljesítményt használjuk fel!

Meddőigényes fogyasztók

Transzformátorok

A transzformátor a működéséhez szükséges mágneses tér – főfluxus – fenntartásához induktív meddő áramot vesz fel a hálózatból. Ez a meddőigény a transzformátor üresjárási üzemállapotában is jelentkezik. Üresjárásban a transzformátor primer, terheléskor a primer és szekunder tekercse körül úgynevezett szórási fluxusok jönnek létre, amelyek nem kapcsolják össze a primer és szekunder tekercset, hanem külön-külön saját tekercseik körül záródnak. A szórási fluxusok fenntartásához is meddő áramra van szükség, ez pedig növeli a transzformátor meddő teljesítményigényét. Annak ellenére, hogy a transzformátorok meddőigénye lényegesen kisebb az aszinkron motorokéhoz képest, a villamosenergia-rendszerben mégis igen nagy értékű: az összes meddő-igény mintegy 40%-a. Ez azzal magyarázható, hogy a villamos energia előállítási és felhasználási helye között többszörös transzformáción esik keresztül. Az energiaátviteli transzformátorok mellett meg kell említeni a hegesztő transzformátorokat is, bár ezek csak helyi jelentőségűek. Az egyfázisú ívhegesztő transzformátorok teljesítménytényezője üzem közben 0,2-0,5 közötti érték, míg üresjárásban még kedvezőtlenebb a cosφ-érték.

Aszinkron motorok

Az aszinkron motorok széleskörű alkalmazását az indokolja, hogy egyszerű felépítésűek, és kedvezőtlen üzemi körülmények között, csekély karbantartási igény mellett is nagy az üzembiztonságuk. Az aszinkron motort úgy is elképzelhetjük, mint egy nagy légréssel rendelkező transzformátort, így meddő teljesítményigénye a transzformátorokéhoz hasonlóan alakul, üresjárási és terhelési (szórási) részből áll. Az aszinkron motorok üresjárási meddő igénye a légrés miatt lényegesen nagyobb a transzformátorokénál. (Üresjárásban az aszinkron motorok meddő igénye névleges teljesítményük 20-80%-a, míg a transzformátoroké 3-14%.)

A fázisjavítás módszerei

Az előzőkből kitűnik, hogy gazdasági és üzemi érdek az, hogy a hálózatot terhelő meddő teljesítményt megszüntessük vagy legalábbis erősen csökkentsük. A meddőigény szabályozásának két fő irányt kell követnie. Egyik a meddőigények korlátozása már fellépésük helyén, ez a természetes fázisjavítás. A másik a feltétlenül szükséges meddő teljesítménynek a műszakilag leghelyesebb és leggazdaságosabb fejlesztése és elosztása, a mesterséges fázisjavítás. Tehát a meddő fogyasztás csökkentésének két módját ismerjük:

  • a természetes fázisjavítás, amivel a meddőteljesítmény-felvételt csökkentjük,
  • a mesterséges fázisjavítást, vagyis meddőteljesítmény-források beiktatását.

A természetes fázisjavítás

Első helyen kell említeni a motorok és transzformátorok helyes megválasztását és üzemeltetetését. A túlméretezett vagy kevéssé kihasznált motorok rossz teljesítménytényezővel járnak. Amíg a teljes, 100%-os terhelés mellett a teljesítménytényező pl. cosφ = 0,88, addig 40%-os terheléssel már a cosφ = 0,7. A túlméretezésen legegyszerűbben a motor cseréjével segíthetünk.

További eljárás az üresjárás-korlátozás. Üresjárásban igen rossz a teljesítménytényező, ezért hosszabb ideig tartó üresjárás helyett inkább válasszuk a kikapcsolást és az újraindítást. Ugyanezen elgondolás alapján nem engedhető meg, hogy a transzformátor teljesítőképessége többszörösen felülmúlja a fellépő maximális teljesítményt.

A mesterséges fázisjavítás

A teljesítménytényező javításának ez a módja különösen ipari fogyasztóknál elterjedt, tudniillik hogy a hálózatra az induktív jellegű fogyasztóval párhuzamosan kapacitív jellegű fogyasztót (meddőenergia-forrást) kapcsolunk. A legegyszerűbb kapacitív fogyasztó a kondenzátor. Teljesítményeit var-ban vagy kvar-ban adják meg. Használhatunk még túlgerjesztett szinkrongépet, vagy szinkronkompenzátort is a meddő energia előállítására.

A fázisjavításhoz szükséges meddő teljesítmény meghatározása

A szükséges meddő teljesítményt két szempont szerint határozhatjuk meg:

  • a hatásos teljesítmény állandósága, vagy
  • a látszólagos teljesítmény állandósága mellett.

A hatásos teljesítmény állandósága melletti fázisjavítás szempontja szerint javítjuk a teljesítménytényezőt, ha

  • a vezetékek, kábelek, transzformátorok túlterhelését akarjuk elkerülni vagy megszüntetni;
  • a villamosenergia-árszabás büntető jellegű (cos felár) felárának fizetése alól mentesülni akarunk;
  • a villamos berendezések beruházási költségeit akarjuk csökkenteni;
  • a veszteségeket akarjuk csökkenteni.

Az 5. ábra figyelembevételével a teljesítménytényező javításához szükséges meddő-teljesítményt a következőképpen határozhatjuk meg.

5. ábra
Q1 az eredeti meddő teljesítmény, P1 az eredeti hatásos teljesítmény, S1 az eredeti látszólagos teljesítmény, φ1 eredeti fázisszög, Q2 a fázisjavítás utáni meddő teljesítmény, P2 a fázisjavítás utáni hatásos teljesítmény, S2 a fázisjavítás utáni látszólagos teljesítmény, φ2 a fázisjavítás utáni fázisszög, Qbe a betáplálandó meddő teljesítmény.
Qbe = Q1 – Q2 = P1tgφ1 – P2tgφ2
mivel P1 = P2, Qbe = P(tgφ1 – tgφ2)
A kondenzátoros fázisjavítás esetén a szükséges kondenzátorkapacitás meghatározható három fázis esetén a Q = 3(U2/Xc) összegfúggésből.
Háromszög kapcsolású kondenzátortelep esetén a számítás a következő:
CΔ = Qbe/(3Uv2ω)
csillagkapcsolású kondenzátortelep esetén pedig:
CY = Qbe/(3Uf2ω)

A látszólagos teljesítmény állandósága melletti fázisjavítás

Ezen szempont szerint végezzük a fázisjavítást, ha

  • a villamos hálózat egy megépített részén a transzformátor terhelését, szabadvezeték vagy kábel keresztmetszetét a túlterhelés veszélye nélkül nagyobb hatásos teljesítmény átvitelére akarjuk alkalmassá tenni,
  • egy üzemben a termelés növekedéséhez újabb villamos motorok alkalmazására van szükség.

A 6. ábra figyelembevételével a teljesítménytényező javításához szükséges meddő-teljesítményt a következőképpen határozhatjuk meg.

6. ábra
Q1 az eredeti meddő teljesítmény, P1 az eredeti hatásos teljesítmény, S1 az eredeti látszólagos teljesítmény, φ1 eredeti fázisszög, Q2 a fázisjavítás utáni meddő teljesítmény, P2 a fázisjavítás utáni hatásos teljesitmény, S2 a fázisjavítás utáni látszólagos teljesítmény, φ2 a fázisjavltás utáni fázisszög, ΔP a hatásos teljesítmények különbsége, Qbe a betáplálandó meddő teljesítmény.
Qbe = Q1 – Q2 = S1sinφ1 – S2sinφ2
mivel S1 = S2, Qbe = S(sinφ1 – sinφ2)

A kondenzátorkapacitás az előző fejezetben leírtak alapján határozható meg.

Fázisjavító kondenzátorok

Kondenzátorok szerelése

A kondenzátoregységeket száraz, szellős helyen kell elhelyezni. A környezet hőmérséklete ne legyen több mint 35 ºC.

Egyedi kompenzáció

Egyedi kompenzáció esetén minden géphez teljesítményének megfelelő kondenzátoregységet szerelünk, amely a géppel együtt kapcsolódik a hálózatra. Ez a módszer akkor felel meg a legjobban, ha az évi kihasználás legalább 1000 h. Az egyedi fázisjavító berendezést a fogyasztó mellett helyezik el. Az egyedi kompenzálás a hálózatot egészen a fogyasztóig tehermentesíti, tehát a fogyasztótól az elosztópontig a vezeték keresztmetszetét már csak a csökkentett áramerősségre kell méretezni. A motorvédő hőkioldóját is a csökkentett áramértékre állítjuk be.

Motorok egyedi kompenzációja

A motor egyedi kompenzációjára kiválasztott kondenzátorokat a motorok közelében szereljük fel. A legegyszerűbb, ha a kondenzátorokat falra erősített vastartóval a motor főkapcsolója fölé helyezzük. A kondenzátort elvben mindig a motor kapocsdeszkáján levő betápláló csatlakozókra kell kötni, tehát a motor tekercsei és a kondenzátorvezető szempontjából mindig közvetlen összeköttetésben maradnak, függetlenül attól, hogy a motor üzemben van-e vagy áll. A motor kikapcsolása után a kondenzátorban marad töltés, a motor tekercsein át sül ki. A motor kapcsai és a kondenzátor közé biztosítóaljzatból és túlméretezett lassú kioldású betétből álló bontható kötést szerelünk. A kondenzátort a motor főkapcsolójának elmenő – vagyis a motor felé csatlakozó – kapcsaira is köthetjük. Csillag-háromszög indítású motorok egyedi kompenzálásakor olyan motorindító kapcsolót kell alkalmazni, amely a hálózat és kondenzátor közötti kapcsolatot átkapcsoláskor nem szakítja meg és biztosítja a motor kikapcsolása után a kondenzátor kisülését. A motorvédő-kapcsolón át kisebb áram folyik, mivel éppen a kompenzáció révén a betápláló szakasz a meddő áramok egy részétől mentesül. A kapcsoló védelmi berendezéseit (relé, bimetall) a csökkentett áramerősségre kell beállítani.

Csoportos kompenzáció

Csoportos kompenzációról akkor beszélünk, ha egy üzemrész vagy egy gépcsoportrész meddő áramát kompenzáljuk, s ezzel az üzemrészt tápláló vezetéket vagy kábelt is mentesítjük a meddő szállításától. A kondenzátorokat rendszerint egy kihelyezett üzemi alelosztó közelében szereljük fel. A legcélszerűbb a meglevő elosztót egy külön szekrénnyel kiegészíteni. Ebbe a szekrénybe helyezzük a biztosítóaljzatot a megfelelő betétekkel, és erről csatlakozunk az elosztó gyűjtősínére.

Egyedi kompenzáló egységek

Központos kompenzáció

A központos kompenzáció a fázisjavításnak az a módja, amellyel az egész üzem meddő teljesítményének nagyobb részét úgy kompenzáljuk, hogy a kondenzátorokat az üzem központi elosztóberendezésének főgyűjtősínére külön megszakító közbeiktatásával kapcsoljuk rá. Ha a teljesítmény nagy, külön gyűjtősínrendszert tervezünk és szerelünk a kondenzátorok részére. A villamos berendezések csak a gyűjtősínig, a kondenzátorok beépítési helyéig mentesülnek a meddő áramtól. Az elosztóvezetékeket, valamint az elosztóktól a fogyasztókig terjedő bekötővezetékeket már a hatásos és a meddő áramok eredője veszi igénybe. A túlkompenzálás veszélyének elkerülése érdekében célszerű a kondenzátortelepet több, külön kapcsolható egységre bontani. Ilyen központosított elrendezés esetén a terhelés értékeinek megfelelő kondenzátoregységek ki- és bekapcsolására vagy automatikus berendezés, vagy állandó felügyelet szükséges. Az automatikus szabályozás érzékelőszervét az egész berendezést betápláló csatlakozás áramváltójára kell kapcsolni. A berendezések csatlakozó vezetékeinek leszabásakor, illetve a kábelek kibontásakor figyelemmel kell lennünk arra, hogy a vezetékekből kb. 20-25 cm átmérőjű – esetleg ovális alakú – és 2-3 menetből álló hurkokat kell kialakítani. A hurkokat a berendezések mögött helyezzük el. Ezt a kialakítást villamos üzemviteli ok, kondenzátorok üzemközbeni egymáshoz kapcsolásával járó tranziens áramlökések csökkentése indokolja.

Központos vagy csoportos fázisjavítás alkalmával kevesebb kondenzátorra van szükség, mert figyelembe lehet venni, hogy nem minden gép jár egyszerre (egyidejűség). Hátránya viszont, hogy a motorokhoz menő vezetékek a meddő áramoktól nincsenek mentesítve.

Kondenzátorok üzembe helyezése

Az előírások szerint telepített és szerelt kondenzátorok, illetve berendezések üzembe helyezése előtt általában a következőket kell megvizsgálnunk.

  1. Egyezik-e a kondenzátorok, illetve berendezések feszültsége és periódusa a hálózat feszültségével, periódusával?
  2. A biztosítók késleltetett kioldásúak-e, a biztosítók és a vezetékek megfelelnek-e a kondenzátorok teljesítményének?
  3. Bekötötték-e a kondenzátorokat az érintésvédelmi rendszerbe?
  4. A kötőelemeket jól meghúzták-e?
  5. Folyadék- (olaj-) kondenzátorok esetében nincs-e szivárgás a kondenzátorok tetején vagy alján?
  6. Az adattábla fel van-e szerelve és jól látható-e?

Ha az ellenőrző vizsgálat során nem találunk hibát, a kondenzátorokat, illetve berendezéseket bekapcsoljuk. Az üzemben tartási utasítást ki kell függeszteni, és benne fel kell tüntetni, hogy az üzem menetének megfelelően mikor, milyen teljesítményt kell bekapcsolni (ha a szabályozás még nem automatikus). A kondenzátoregységekre vagy berendezésekre szilárdan felerősített, üzem közben is jól olvasható tartós kivitelű táblát kell elhelyezni a következő szöveggel: „A vezeték érintése életveszélyes! A kondenzátoron és a hozzá kapcsolt berendezésen csak a kondenzátor kikapcsolása és kisütése után szabad dolgozni! A kondenzátor áramvezető kapcsait a munka tartamára le kell földelni!”. Motorok egyedi kompenzációja esetén minden motorra, annak kapcsolójára, illetve a kapcsolót tartalmazó elosztószakaszra a következő szövegű figyelmeztető táblát kell elhelyezni: „Vigyázat! A motorra fázisjavító kondenzátor van kapcsolva! A motorhoz és a kapcsoló csatlakozóihoz csak a motor kikapcsolása és teljes megállása után szabad hozzányúlni!”.

FázisjavításMeddő teljesítményTeljesítménytényező


Kérjük, szánjon pár pillanatot a cikk értékelésére. Visszajelzése segít a lap és a honlap javításában.

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem

Kapcsolódó