Praca baterii kondensatorów w środowisku z dużym udziałem prądów odkształconych
Zastosowanie analizatorów jakości energii elektrycznej w instalacjach OZE
19 listopada 2021
Monitoring zużycia mediów, czyli gdzie szukać przysłowiowych 20% oszczędności?
25 listopada 2021
Baterie kondensatorów w zakładzie przemysłowym to jeden z podstawowych i najbardziej powszechnych sposobów prawidłowej gospodarki mocą bierną. Pozwala również na wyeliminowanie opłat z tytułu ponad umownego poboru energii biernej indukcyjnej. Ze względu na coraz powszechniejsze stosowanie w przemyśle wszelkiego rodzaju odbiorników nieliniowych czy przemienników częstotliwości do zasilania silników elektrycznych praca baterii kondensatorów zostaje utrudniona.
Pojawienie się wyższych harmonicznych można traktować tak, jakby w sieci pojawiły się przebiegi o wyższych częstotliwościach. Reaktancja pojemnościowa kondensatora jest zależna od częstotliwości napięcia zasilającego i zmniejsza się wraz z jej wzrostem:
Oznacza to, że wraz z malejącą reaktancją kondensator staje się coraz lepszym przewodnikiem dla prądów o wyższej częstotliwości (wyższych harmonicznych). Wartość skuteczna prądu pobieranego przez baterię kondensatorów wzrasta wraz ze wzrostem poziomu odkształcenia THDi:
Zależność poboru prądu w funkcji zmian współczynnika całkowitego odkształcenia prądu THDi
Niestety wraz ze wzrostem wartości skutecznej prądu ITRMS wzrasta temperatura pracy kondensatora. Wzrost ten ma charakter wykładniczy, co oznacza, że niewielki wzrost prądu powoduje istotne zwiększenie temperatury pracy kondensatora. Wzrost wartości ITRMS o 10% powoduje zwiększenie przyrostu temperatury o 21%, wzrost prądu o 30% powoduje wzrost przyrostu temperatury o 69%.
Zależność przyrostu temperatury od zmian wartości skutecznej prądu
Praca kondensatorów w sposób ciągły przy podwyższonej temperaturze może skrócić ich żywotność, a w krytycznych przypadkach doprowadzić nawet do ich uszkodzenia. W kartach katalogowych producenci zamieszczają czasami informację o dopuszczalnej przeciążalności, sięgającej nawet 1,3 raza prądu znamionowego trwale. Należy jednak w takim wypadku zwrócić szczególną uwagę na warunki otoczenie, w których praca takiej jednostki jest możliwa. Rozróżniane tutaj mogą być średnie dobowe i roczne temperatury, różniące się nawet o 10ºC. Z tych powodów praca baterii kondensatorów, w środowisku gdzie występują wyższe harmoniczne, może być utrudniona.
Remedium na powyższy problem jest stosowanie dławików indukcyjnych łączonych szeregowo w obwodzie zasilającym baterii kondensatorów. Reaktancja indukcyjna dławików rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości:
Dzięki szeregowemu dołączeniu indukcyjności zmienia się wypadkowy charakter całego obwodu. Dla niższych częstotliwości dominuje charakter pojemnościowy, czyli bateria kondensatorów pracuje normalnie, kompensując moc bierną indukcyjną. Dla wyższych częstotliwości rośnie reaktancja indukcyjna, rośnie też wypadkowa impedancja całego obwodu. Bateria staje się w takim układzie coraz gorszym przewodnikiem dla prądów wyższych częstotliwości.
Zależność reaktancji kondensatora XC, indukcyjności XL oraz wypadkowej impedancji układu Z
Dobór dławika uzależniony jest od najniższej częstotliwości wyższych harmonicznych, gdzie najczęściej jest mowa o harmonicznych rzędu piątego lub trzeciego. Jeżeli w układzie występuje największe natężenie piątej harmonicznej, czyli przebiegu o częstotliwości 250 Hz, należy tak dobrać dławik, żeby dla częstotliwości niższych niż ta, wypadkowa reaktancja była pojemnościowa. Analogicznie należy postąpić dla harmonicznej rzędu trzeciego, o częstotliwości 150 Hz. Stosowane są dławiki indukcyjne 7% i 14%, dla których częstotliwości rezonansowe wynoszą 189 Hz i 133 Hz odpowiednio. Tak dobrane dławiki chronią baterie kondensatorów przed działaniem wyższych harmonicznych, czyli ograniczają pobierany przez nie prąd, a tym samym redukując temperaturę ich pracy.
Astat Sp. z o.o.
dr inż. Andrzej Książkiewicz
