Jakość energii elektrycznej w zakładzie przemysłowym i propozycja wykorzystania SVG
Zarządzanie energią– nowe wyzwania, możliwości i rozwiązania
30 marca 2022
Świadome decyzje ograniczające zużycie i koszty w przedsiębiorstwie
18 lipca 2022
Jakość Energii Elektrycznej (JEE) w każdym zakładzie przemysłowym, produkcyjnym jest inna i uzależniona od wielu czynników, w tym od mocy zwarciowej sieci zasilającej, rodzaju i mocy odbiorników energii elektrycznej czy też od przesyłu mocy wewnątrz zakładu (rodzaj i przekrój kabli, itp.). Zalecanym rozwiązaniem w zakresie oceny JEE jest wykonanie pomiarów w wybranych punktach zakładu analizatorami jakości energii. Na podstawie takich pomiarów można we właściwy sposób ocenić jakość energii w zakładzie, określić ewentualne zaburzenia i ostatecznie zaproponować skuteczne rozwiązanie, mające na celu poprawę JEE.
Poniżej przedstawiona została analiza przeprowadzona na podstawie pomiarów wykonanych w jednym z zakładów produkcyjnych. Układ, który został poddany pomiarom zasilał piec indukcyjny. Na rysunku 1 przedstawiono wykres następujących parametrów: mocy czynnej, biernej oraz współczynnika tg φ, które zarejestrowano po stronie niskiego napięcia transformatora zasilającego ten piec.
Rysunek 1. Wykres mocy: czynnej P, bierną składowej podstawowej QV, współczynnika tg φ pobieranych przez piec.
Transformator zasila, przez układ symetryzujący, piec indukcyjny. Piec pobiera moc czynną na poziomie ok. 200 kW i moc bierną na poziomie do 150 kVAr. Odkształcenie pobieranego prądu, i związana z tym obecność wyższych harmonicznych, jest bardzo małe. Widmo wyższych harmonicznych prądu zawiera pełen przekrój częstotliwości przy znikomym ich udziale, sięgającym ok. 8 A dla harmonicznej piątego rzędu przy wartości skutecznej prądu ITRMS przekraczającym w szczycie 380 A. Wartość współczynnika całkowitego odkształcenia prądu THDi osiąga wysoką wartość tylko, kiedy piec pobiera niewielki prąd. Dlatego też odkształcenia krzywej prądu nie stanowią dla rozpatrywanego przypadku szczególnego problemu.
Dla transformatora zasilającego piec indukcyjny zaproponowano układ do statycznej generacji mocy biernej typu SVG. Są to urządzenia energoelektroniczne, wykorzystujące do swojego działania układy tranzystorów. Ze względu na dynamikę pracy pieca nie zaleca się zastosowania klasycznych układów kompensujących opartych o baterie kondensatorów. Kompensatory SVG pozwalają na nadążną kompensację, niezależną dla każdej z faz, co umożliwia ograniczenie zapotrzebowania na moc bierną także w układach, gdzie dynamika zmian obciążenia jest znaczna. Przy czasie odpowiedzi na zmiany zapotrzebowania nie dłuższym niż 1 ms generowana moc bierna dostarczana jest do odbiornika płynnie, praktycznie bez obciążania układu zasilającego. Zredukowanie przepływu mocy biernej pozwoli na następujące korzyści:
- Zredukowanie strat mocy czynnej wynikającej z przepływu mocy biernej.
- Obniżenie wartości skutecznej prądu ITRMS pobieranego przez piec.
- Znaczne ograniczenie wahań napięcia, wynikających z szybkich zmian mocy biernej odbiornika.
- Zmniejsza zostanie wartość przesyłanej mocy biernej.
- Obniżona zostanie temperatura pracy transformatora.
- Obniżone zostaną wahania napięcia po stronie SN.
- Zredukowane zostaną dodatkowe przesyłowe straty energii czynnej nawet o 43%.
Zmniejszenie zapotrzebowania na energię bierną przyczyni się również do poprawy wartości współczynnika tg φ. Przykładowe porównanie jego wartości dla przypadków, gdy w układzie nie ma zainstalowanego układu kompensującego (bez SVG) oraz gdy taki układ byłby zainstalowany (z SVG) przedstawiono na rysunku 2. Widać wyraźną poprawę w tym zakresie dzięki zastosowanej kompensacji. Wartość współczynnika tg φ prawie dla całego rozpatrywanego czasu pomiaru mógłby spaść poniżej wartości 0,5. Ponieważ układ pracuje w sposób nadążny, z czasem reakcji krótszym niż 1 ms, w znaczący sposób zredukowano wahania mocy biernej występujące podczas normalnej pracy tego tupu pieca.
Rysunek 1. Wykres mocy: czynnej P, bierną składowej podstawowej QV, współczynnika tg φ pobieranych przez piec.
Wypadkowa redukcja zapotrzebowania na energię bierną w układzie zasilających transformator wpłynie również na inne elementy infrastruktury elektroenergetycznej w zakładzie. Zredukowana zostanie wartość skuteczna prądu przepływającego przez kable i przewody szynowe zasilające transformator. Ograniczone zostaną w ten sposób straty mocy czynnej i biernej na tych elementach, także po stronie sieci 15 kV. Obniżone wykorzystanie mocy innych elementów zasilających może pozwolić na dociążenie ich dodatkową mocą czynną bez konieczności ich modernizacji. Doprowadzi to do ogólnej poprawy jakości energii elektrycznej w zakładzie.
Andrzej Książkiewicz
