Fázisjavítás: helyes meddőenergia-gazdálkodás
2015/4. lapszám | Lantos Tivadar | 16 130 |
Figylem! Ez a cikk 9 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A helyes meddőenergia-gazdálkodás technikai és gazdasági előnyökkel is jár. A kérdéskör elsősorban az ipari fogyasztókat érinti, akik ennek következtében elkerülhetik a meddő energia vételéből származó többletköltségeket, valamint csökken a látszólagos teljesítményigényük is. A meddőgazdálkodásnak a gyakorlatban tehát kiemelt haszna van.
Kiinduló pont a cosϕ
Az induktív és kapacitív fogyasztókon – ellentétben a tisztán „ohmos” fogyasztókkal – a szinuszos tápfeszültség és terhelés árama nincs egymással szinkronban. Ha komplex ábrázolási módban gondolkodunk, azt is mondhatjuk, hogy a két mennyiség fazora egymással szöget zár be. Az áram és a feszültség szorzata a látszólagos teljesítményt (S=U*I) adja, ahol az azonos irányú összetevők az un. hatásos teljesítményt (P), míg a merőleges összetevők a meddő teljesítményt (Q) adják. A hatásos teljesítmény mechanikai teljesítménnyé, hővé, illetve fénnyé alakítható. A meddő teljesítmény a motorok, transzformátorok mágneses terének felépítését valósítja meg. A meddő teljesítményre tehát szükség van, azonban nem szükséges a hálózaton keresztül szállítani, közeli forrásból is előállíthatjuk. Ezt a folyamatot kompenzációnak, fázisjavításnak nevezzük, amikor is a villamos gép áramát a távolról hozott áram és a helyben előállított kapacitív meddő áram eredője adja. A feszültség és az áram közbezárt szögének koszinuszával (cosϕ) kiszámítható a hatásos (P=S*cosϕ) és a meddő (Q=S*sinϕ) teljesítmény. A cosϕ értéke különböző jellegű terheléseknél más és más. Tisztán „ohmos” terhelés esetén a cosϕ=1, tisztán induktív/kapacitív terhelésnél a cosϕ=0. Villamos motorok üzeménél a cosϕ= 0,6-0,85 érték között változik. Sok készülék esetén a cosϕ értéke üzemállapot függő.
Az áramszolgáltató számláz
A reaktans elemek miatt a fogyasztók árama nagyobb a hatásos teljesítményhez tartozó értéknél. Ez a nagyobb áram a villamosenergia-hálózatokon nagyobb hőveszteségeket, a transzformátorok túlterhelését, a kábelek melegedését, valamint feszültségesést okoz. A veszteség oka a látszólagos és a hatásos teljesítmény közötti fáziseltérés. Minél nagyobb a fáziseltérés, annál nagyobb a veszteség, vagyis a teljesítménytényező (cosϕ) csökken. Az áramszolgáltató célja tehát a cosϕ növelése, annak érdekében, hogy ne terhelődjön feleslegesen a villamosenergia-hálózat. A meddő energiát az áramszolgáltató is biztosítja, és kiszámlázza, ha a fogyasztó az átviteli hálózatból vételezi. Ennek megfelelően nagy előny, ha a terhelések közelében generálják a meddő energiát, ezáltal megakadályozva a hálózatban az áram szükségtelen keringését. A fázisjavítás megoldható szinkrongéppel, fázisjavító kondenzátorokkal, vagy kábelhálózat telepítésével. A szinkrongépes fázisjavítás az erőművekben jellemző, a túlgerjesztett szinkrongép ugyanis kapacitív áramot táplál be a hálózatba. A középfeszültségű-kábelhálózat szintén kapacitív jellegű, de az alállomásokba telepített kondenzátorok ki-be kapcsolásával is kompenzálnak. Kisfeszültségen kondenzátorok csatlakoztatásával olyan meddő energiát generálhatunk, amely arányos a felvett energiával. Ennek eredményeképpen csökken a látszólagos teljesítmény és javul a teljesítménytényező. Általános tapasztalat, hogy a nagyfeszültségű-hálózat meddő felesleggel bír, középfeszültségen (szabadvezetékes) és kisfeszültségen meddőhiány van (KÖF kábeles hálózatokon viszont meddőtöbblet van). A meddő villamos energiát – egyéb jogszabályi előírás vagy külön megállapodás hiányában – a feszültségszintenként mért hatásos villamosenergia-mennyiségeket alapul véve, kisfeszültségű csatlakozás esetében az elszámolási időszakban vételezett hatásos villamos energia 25%-át meg nem haladó induktív meddő villamos energia díjmentes. Középfeszültségű szinten ez az érték 30%, míg nagyfeszültségen 40%. A hálózatra visszatáplált kapacitív energia 100 százalékban fizetendő. Volt olyan időszak ’98-ban, a villamosenergia-törvény megszületése előtt, hogy aki visszatáplált meddő energiát, pénzt kapott vissza. Ennek a hálózatot tekintve kaotikus következményei lettek, ezért kellett ezt a rendszert megszüntetni.
A kiválasztás
A megbízható fázisjavító berendezés kiválasztása négy lépésben történik. Mindenekelőtt meg kell határozni az ipari létesítmény működéséhez szükséges meddő teljesítményt (kvar). Ezután a kompenzálási módok közül ki kell választani az igényeknek legmegfelelőbbet. Meg kell határozni a kompenzálás típusát, amely lehet rögzített értékű kondenzátorteleppel megvalósított rendszer, automatikus, különböző számú fokozatok csatlakoztatásával, így téve lehetővé a szükséges meddő energia beszabályozását a megfelelő értékre. De lehet dinamikus is, amikor az erősen ingadozó terheléseket kell kiegyenlíteni.
Meddőteljesítmény meghatározása
Első lépésben ki kell számítanunk a szükséges meddő teljesítményt, annak érdekében, hogy a teljesítménytényezőt javítani tudjuk, ezáltal a látszólagos teljesítmény csökkenjen.
Végezzünk el szemléltetésképpen egy egyszerű számpéldát. Vegyünk egy P=100 kW-os hatásos teljesítményű, az adattábla szerint: cosϕ=0,8 villanymotort, amit kompenzálni szeretnénk. Függvénytáblázatból kikereshető, hogy a hozzá tartozó tgϕ=0,75 (a szolgáltató is a tgϕ alapján számláz, és könnyebb vele számolni). Így a motor által felvett meddő teljesítmény Q=P*tgϕ=100*1,333=133,3 kVAr. A maximális teljesítmény kompenzálásához 133,3 kVAr kondenzátorteljesítményre lenne szükség. Mivel azonban a motor részteljesítménynél és üres járásban 80 kVAr-nál kevesebb teljesítményt vesz fel, túlkompenzálás jönne létre, ami műszaki problémákat okoz. Ha tgϕ-t vesszük alapul, akkor a hálózati előírásokkal a legegyszerűbb számolni, mivel a fent említett 25-30-40%-os hatásoshoz viszonyított vételezett meddő arány lefordítható nagyon egyszerűen tangens fi 0,25-0,3 és 0,4-re. Ezáltal egy 100 kW-os hatásos teljesítményű tgϕ=0,75-ös motort, ha kisfeszültségen akarom kompenzálni akkor tgϕ’ = 0,75 – 0,25 = 0,5 és akkor Qk = 0,5*100 = 50 kVAr.
Kompenzálási módok
A fogyasztói mérőhelyek után, a fogyasztó saját hálózatán belül történik a kompenzáció, amely lehet egyéni, csoportos, vagy központi. Ez elsősorban attól függ, mi a fogyasztó érdeke. Alapvető szabály, bárhogy kompenzálunk is, ahol a fázisjavító csatlakozik a hálózatra, terhelés oldali felé nem tehermentesíti a hálózatot, mindig csak a hálózati oldal felé, azaz az adott ponton van kompenzálva. Ha bonyolult, folyamatosan változó meddő igényeket kell kielégíteni, jó hatásfokkal, akkor központi kompenzációt kell alkalmazni. A főmérőnél – amely alapján a számlázás történik – kell figyelni az értékeket (cosϕ), ha ez meghalad egy bizonyos küszöbértéket, bekapcsolnak a kondenzátorok. Annak is jó ez a módszer, aki csak a szolgáltató által kirótt fölösleges meddőenergia vételezésért kiszabott díjat szeretné elkerülni. Vannak olyan ipari fogyasztók viszont, ahol elő van írva, milyen pillanatnyi fázistényezőt kell tartaniuk, ők leginkább azért érdekeltek a fáziskompenzációban, hogy a hálózatukat tehermentesítsék, itt érdemes csoportos kompenzációt alkalmazni. Vagy ha egy technológiai egység közösen kapja ugyanazt a meddőforrást, itt is szóba jöhet a csoportos kompenzáció. Az egyedi kompenzáció a speciális nagyfogyasztóknál szükséges, akiknek ismertek a fogyasztási karakterisztikái, vagy egyéb felharmonikusokkal szennyezik a hálózatot, amit külön kell kezelni, hogy ne küldje a hibáit esetlegesen a többi kondenzátorra. Ennél a módszernél a fogyasztók közvetlen közelébe helyezzük el a kondenzátorokat, ami csak a készülék bekapcsolásakor üzemel.
A fázisjavítás típusai
A szabályozás összetettségétől, és a teljesítmény igényektől függően különböző típusú kompenzálás alkalmazható. A fix kompenzálás esetén beszélhetünk kézi szabályozásról, amit megszakítóval vagy terheléskapcsolóval biztosítunk. Mágnes kapcsolóval fél automatikus kompenzálási típus érhető el, valamint készülékkel együtt közvetlenül is kapcsolható a berendezés. A fix fázisjavító rendszereket olyan helyeken használják, ahol a terhelési tényező várhatóan állandó, illetve az induktív terhelések kimenetén, elsősorban középfeszültségű motoroknál. Ahol a kondenzátorok meddő teljesítményének értéke kisebb vagy egyenlő, mint a betáplálási transzformátor 15 százaléka, szintén a fix kompenzáció a jó megoldás. Amennyiben ezt az értéket meghaladja a kondik kVAr értéke már ajánlott az automatikus kompenzáció, ami a meddő teljesítményt „hozzáigazítja” a hálózat változásaihoz, hogy a beállított cosϕ értéket állandó szinten tartsa. A vezérlést rendszerint egy elektronikus eszköz biztosítja, amely folyamatosan figyeli az aktuális teljesítménytényezőt és intézkedik a kondenzátorok csatlakoztatásáról, leválasztásáról a teljesítménytényező célértékének elérése céljából. A meddőenergia így lépésenként szabályozott. A berendezések telepítése a nagy terhelésű tápkábelek kivezetési pontján illetve a főelosztó berendezés sínénél történik. A szabályozást mágnes kapcsolók biztosítják. Ha a gyors, sokszor ismétlődő kapcsolásra van szükség, akkor tirisztorokat kell használni.
Ingadozó terhelés esetén dinamikus kiegyenlítésre van szükség. A dinamikus kiegyenlítés elve: egy fix kondenzátortelep és egy elektronikus VAr kiegyenlítő társítása, és ezzel egy siető vagy késő meddő áramok létrehozása.
Rezonancia és felharmonikus jelenség
Az induktív gépek üzemeltetése során, illetve fázisjavító kondenzátorok utólagos telepítésénél oda kell figyelni a káros rezonanciák jelenségére. A kondenzátor kapacitív energiája kis csillapodással alakul át az induktivitás mágneses energiájává, illetve vissza. (Nem részletezzük a soros rezgőkör differenciálegyenletét, amely leírja ezt a folyamatot). Ha az alapharmonikusra tervezett hálózatra felharmonikust termelő eszközt kapcsolunk, kialakulhat a rezonancia. Ezt elkerülni a fázisjavító kondival sorba kötött fojtótekerccsel lehet, amely elhangolja a rezgő kört. Ez a konfiguráció a fojtott fázisjavító berendezés, amely nemcsak a hálózatra kerülő felharmonikusoktól véd, hanem a kondenzátor élettartamát is meghosszabbítja. A hangolási frekvencia a fojtó relatív impedanciájával (%) határozható meg. Legáltalánosabb értékek az 5,7, 7, 14%. A hangolási frekvencia megválasztása több tényezőtől is függhet. Így például a hangfrekvenciás távvezérlési frekvenciától, a kondenzátor és a fojtótekercs komponensek optimalizálásától stb. Az 5,7%-os relatív impedanciájú fojtókat Magyarországon nem használják, mert egyes áramszolgáltatók vezérlőfeszültségét is elnyeli. (HKV-k, amelyek kapcsolják a közvilágítást, normál és vezérelt áramot.) Nem mindegy, hogy 7 vagy 14%-os relatív frekvenciájú fojtót alkalmazunk, árban, méretben, hőtermelésben is nagy különbség van, valamint más a kondenzátorok feszültségszintje is. A fojtótekercsek a kondenzátorok kapcsain túlfeszültséget hoznak létre, ezért egy 400 V-os hálózaton 7%-on 440 V névleges feszültségű kondit, míg 14%-on 465 V névleges feszültségű kondenzátorokat kell telepíteni. Szimmetrikus motorok esetén, jellemzően ipari alkalmazásban 7%-os fojtókat használnak, amely az 5. és 7. harmonikus fojtja, THDi (áram harmonikus torzítása) 20% felett és max. 50%-ig, illetve THDu (feszültség harmonikus torzítása) 5% felett 7%-ig. A 14%-os fojtó hangolási tényezője 134 Hz (2,8. interharmonikust fojtja) így ez képes a 3. felharmonikusok fojtására. Jellemzően 1 fázisú fogyasztóknál és röntgengépeknél alkalmazzák, illetve jobban fojtja az 5-7 felharmonikusokat. THDi 20% felett max. 50%-ig. THDu 7% felett max. 10%-ig. A tervezést egyedileg kell elvégezni, mert például hiába nincs 3. felharmonikus és a THDi 30%, ha a THDu meghaladja a 7%-ot akkor már 14%-os fojtóra van szükség, mert a 7%-os fojtó túlterhelésben működne. Egyébként 50% THDi vagy 10% THDu felett aktív felharmonikus szűrőre van szükség.
Manapság a hálózaton megjelentek a frekvenciaváltók, inverterek, LED lámpák. Ezen eszközök cosϕ-je 1, azaz saját magát kikompenzálja. A berendezéseknek kondenzátoros fázisjavításra nincs szüksége, ellenben felharmonikus szűrésre igen. A frekvenciaváltók egyik legnagyobb problémája, hogy a hozzá tartozó gyári aktív szűrőket az üzemeltetők már nem vásárolják meg, ugyanis azok költsége felébe kerül a frekvenciaváltónak. Pedig ezek azért előnyösek, mert a frekvenciaváltó gyártója saját maga képes előállítani azt a jelet, amivel ki lehet kompenzálni szinte az összes felharmonikust (2-3% alatt tartható a felharmonikus tartalom).
Fázisjavító berendezések telepítése
Végezetül érdemes néhány szót ejtenünk az MSZ EN 61921 szabványról is, amely a kisfeszültségű fázisjavító berendezések alapkövetelményeit írja elő. Ebben jóval nagyobb (30%) túlterheléses környezetben kell megfelelniük a berendezéseknek, mint az MSZ EN 61439-es, a kisfeszültségű kapcsoló berendezésekre vonatkozó előírásainak. Termikus szempontból különösen! Erre egész egyszerűen azért volt szükség, mert a kondenzátor a hőterhelést kevésbé viseli el. Ennek ellenére, ha rossz szellőzési körülmények közé kerül a berendezés, vagy rosszak a telepítési körülmények, a szabvány akkor is biztonságot ad. A fojtótekercsek üzemi hőmérséklete 90-100 °C! Ventillátoros kényszerhűtéssel kell a hőt elvezetni, a megfelelő hőtechnikai számítások figyelembevételével.
A fázisjavítás, a meddőenergia gazdálkodás külön tudomány, a maga nehézségeivel, szépségeivel. Dióhéjban, és a terjedelmi korlátok miatt, mi most csak a legszükségesebb információkat szedtük össze, mellyel a gyakorlat során bárki találkozhat.
