Korzyści wynikające z poprawy Jakości Energii Elektrycznej
Dodatkowe straty energii i mocy przy przepływie prądów odkształconych
7 grudnia 2021
Strażnik Mocy Zamówionej
3 stycznia 2022
Nieustające zmiany w zakładach produkcyjnych związanych z modernizacją lub rozbudową linii produkcyjnych nie pozostają obojętne na infrastrukturę elektroenergetyczną zakładu. Często zdarza się, że przeprowadzona modernizacja jednej maszyny może pogorszyć warunki pracy innych urządzeń. Stąd pojawia się zagadnienie Jakości Energii Elektrycznej w przemyśle. Jakość Energii Elektrycznej opisuje wiele parametrów energii elektrycznej oraz zagadnień powiązanych, w tym:
- wzrosty lub spadki napięcia,
- zapady napięcia,
- wyższe harmoniczne napięcia i prądu,
- kompensacji mocy biernej.
Poprawa Jakości Energii Elektrycznej
Poprawa Jakości Energii Elektrycznej związana jest jednocześnie z pomiarami parametrów energii elektrycznej oraz stosowaniem właściwych rozwiązań wpływających na ich poprawę. Urządzenia poprawiające Jakość Energii Elektrycznej to:
- Filtry Pasywne.
- Filtry Aktywne.
- Dławiki liniowe.
- Baterie kondensatorów lub dławików do kompensacji mocy biernej.
- Statyczne generatory mocy biernej SVG.
Dzięki zastosowaniu jednego lub kompilacji kilku wyżej wymienionych urządzeń możliwa jest poprawa Jakości Energii Elektrycznej, w tym między innymi:
- Zwiększenie obciążalności układu zasilającego.
- Redukcji strat mocy i energii elektrycznej.
- Ograniczenie nagrzewania transformatorów (hot-spoty).
- Zmniejszeniu ilości przerw w produkcji i awarii urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
Urządzenia elektryczne pobierają moc czynną oraz bierną, która musi zostać przesłana przez wszystkie elementy układu zasilającego, czyli przewody, kable, przewody szynowe i transformatory. Każdy z tych elementów ma ograniczoną zdolność przesyłu mocy związaną przede wszystkim z cieplną wytrzymałością urządzenia. Moc bierna, potrzebna do pracy urządzeń elektrycznych, możne być wytworzona bezpośrednio przy miejscu jej zapotrzebowania. Tym samym nie ma konieczności przesyłu tej mocy, ogranicza się w ten sposób nagrzewanie elementów toru zasilającego, wydłuża się czas jego eksploatacji, a także zmniejsza spadki napięcia występujące w sieci, poprawiając warunki pracy urządzeń elektrycznych. Dzięki ograniczeniu przesyłu mocy biernej można uzyskać dodatkową obciążalność systemu, gdzie zamiast tej mocy przesyłana zostanie moc czynna. Dzięki temu można będzie ograniczyć lub całkowicie wyeliminować modernizację systemu zasilania w zakładzie przy montażu nowych maszyn i innych odbiorników energii elektrycznej.
Przepływ mocy czynnej i biernej przez elementy układu zasilającego, w tym przez transformatory i linie kablowe, generuje straty mocy czynnej na tych elementach. Straty te występują przeważnie przez długi czas, co prowadzi to generowania istotnych strat energii czynnej. Te straty energii przekładają się następnie na koszty zakupu energii czynnej, czyli koszty funkcjonowania zakładu produkcyjnego. Straty energii czynnej związane z przesyłem mocy czynnej zależne są wyłącznie od potrzeb produkcyjnych zakładu, zastosowanych maszyn oraz cyklu produkcyjnego. Chociaż ich wartości są umiarkowane w porównaniu do mocy zamówieniowej czy zapotrzebowanej to ich obecność można w znacznym stopniu ograniczyć dzięki zastosowaniu kompensacji mocy biernej. Im bliżej odbiornika energii elektrycznej jest kompensacja zamontowana, tym większe ograniczenie przesyłowych strat mocy i energii.
Temperatura punktu gorącego to najwyższa temperatura na styku przewodu uzwojenia z izolacją stałą lub olejem. Punkt gorący uzwojenia tzw. „hot spot” to jeden z ważniejszych parametrów związany z procesami starzeniowymi izolacji elektrycznej transformatora. Głównym źródłem temperatury są uzwojenia, w których w wyniku przepływu prądu generowane są straty podstawowe i dodatkowe. Ze wzrostem wysokości uzwojenia jego temperatura rośnie, dlatego punkt gorący zazwyczaj zlokalizowany jest w górnej części uzwojenia. Straty dodatkowe są silnie zależne od niesinusoidalnego kształtu prądu, zawierającego znaczny udział wyższych harmonicznych. Wzrost tych strat dodatkowych opisany jest przez tzw. „K-Factor”. Straty te prowadzą do zwiększonego wydzielania się ciepła na uzwojeniach transformatora. Dodatkowo ta energia cieplna zlokalizowana jest w konkretnych punktach uzwojenia. W tych miejscach może dojść do przegrzewania się uzwojeń i izolacji transformatora. W dłuższej perspektywie czasu spowoduje to skrócenie jego żywotności. Aby utrzymać temperaturę pracy transformatora, należy ograniczyć jego obciążenie, często w sposób znaczący, nawet kilkukrotnie. Ograniczenie przesyłu prądów odkształconych w znaczący sposób może zmniejszyć temperaturę pracy transformatora, a w szczególności temperaturę w tzw. hot-spotach. Takie ograniczenie możliwe jest dzięki zastosowaniu układów filtrów pasywnych lub aktywnych, które pozwalają na prawie całkowite zlikwidowanie prądów odkształconych przepływających przez transformator.
Obraz: Jasmin Smajic, Jillian Hughes, Thorsten Steinmetz, David Pusch, Wolfgang Mönig, and Martin Carlen, Numerical Computation of Ohmic and Eddy-Current Winding Losses of Converter Transformers Including Higher Harmonics of Load Current IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 48, NO. 2, FEBRUARY 2012
Przepływ prądu odkształcalnego, o wysokiej zawartości wyższych harmonicznych, prowadzi do wystąpienia odkształconego spadku napięcia na elementach zasilających. Skutkuje to pojawieniem się odkształconego, niesinusoidalnego napięcia w sieci, zasilającego urządzenia elektryczne i elektroniczne w zakładzie. Niektóre z tych urządzeń, w szczególności urządzenia elektroniczne, sterowniki programowalne czy elementy infrastruktury teletechnicznej, mogą być wrażliwe na odkształcone napięcie zasilającego. Może to powodować błędy lub przerwy w ich pracy, a w sytuacjach krytycznych nawet uszkodzenie urządzenia. Takie zdarzenia generują dodatkowe koszty po stornie przedsiębiorstwa ze względu na konieczność naprawy bądź wymiany uszkodzonego urządzenia. Może wystąpić z tego powodu przerwa produkcyjna. Prowadzi to do wystąpienia znacznych kosztów związanych z przestojem zakładu, kosztami niewyprodukowanego towaru czy zniszczeniem części towaru będącego w trakcie procesu produkcyjnego. Zastosowanie układów filtrów pasywnych lub aktywnych pozwala na zredukowanie poziomu odkształceń krzywej prądu THDi nawet poniżej 5%. Dzięki temu poprawia się jakość energii elektrycznej w zakładzie produkcyjnym i pojawiają się lepsze warunki pracy dla wszelkich urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
Często dzięki zastosowaniu jednego z wymienionych wcześniej urządzeń można poprawić Jakość Energii Elektrycznej na kilku płaszczyznach. Przykładowo zastosowanie filtrów aktywnych pozwoli jednocześnie na ograniczenie przesyłu prądów odkształconych (niższe temperatury hot-spotów w transformatorze), organiczny zapotrzebowanie na moc bierną (kompensacja) a w rezultacie ograniczy straty energii czynnej i biernej w układzie przesyłowym.
Andrzej Książkiewicz
