Wiedza dotycząca współczynnika mocy, harmonicznych, systemów dystrybucji energii czy sposobów rozliczenia energii przez dostawców pomaga w zmniejszeniu rachunków za energię elektryczną.
Często pytamy: „Czy poprawiając współczynnik mocy cosφ, możemy rzeczywiście zmniejszyć koszty rachunku za energię elektryczną?” Na to pytanie nie ma prostej odpowiedzi, ale lepsze zrozumienie pojęć: współczynnik mocy cosφ, harmoniczne, systemy rozdziału energii elektrycznej oraz zasady, którymi kieruje się zakład energetyczny w rozliczaniu pobranej energii, pomoże znaleźć odpowiedź.
Współczynnik mocy cosφ
Moc elektryczna w obwodzie prądu zmiennego ma trzy składowe: czynną (P), bierną (Q) i wypadkową – pozorną (S).
Moc czynna jest uważana za energię użytkową mierzoną w watach (W) lub kilowatach (kW). Przykładowo, moc czynna wytwarza moment obrotowy na wale silnika elektrycznego.
Moc bierna nie wykonuje pracy, ale jest niezbędna do działania urządzeń i jest mierzona w jednostkach: wolt-amper-reaktywny (var) lub kilovar (kvar). Wiele odbiorników przemysłowych ma charakter indukcyjny – jak np. silniki elektryczne, transformatory, dławiki w świetlówkach fluorescencyjnych, urządzenia energoelektroniczne i piece indukcyjne. Prąd przepływający przez indukcyjne obciążenie zawiera dwie składowe: bierną i czynną. Prąd bierny jest konieczny, aby podtrzymać pole elektromagnetyczne w urządzeniu i wytworzyć moc bierną. Obciążenie indukcyjne powoduje opóźnienie prądu w stosunku do napięcia. Wartość opóźnienia jest określona kątem przesunięcia elektrycznego (lub fazą) pomiędzy napięciem i prądem.
Przy braku wyższych harmonicznych, moc pozorna zawiera sumę wektorową – zarówno mocy czynnej i biernej i jest mierzona w jednostkach – woltamper (VA) lub kilowoltamper (kVA).
Współczynnik mocy (PF) jest stosunkiem mocy czynnej do pozornej i pokazuje poziom zużycia energii czynnej przez urządzenie. Współczynnik PF jest miarą efektywności zużycia energii elektrycznej. Współczynnik mocy jest równy cosinusowi kąta fazowego przesunięcia pomiędzy napięciem elektrycznym i prądem.
Obciążenia elektryczne wymagają więcej energii niż jej zużywają. Silniki indukcyjne zamieniają 80% do 90% dostarczonej energii w pracę użytkową. Pozostała energia jest zużyta na wytworzenie pola elektromagnetycznego silnika. W każdym okresie napięcia pole naprzemiennie wzrasta i maleje tak, że moc doprowadzona zamienia się w energię pola, a następnie jest oddawana z powrotem do systemu zasilania. Stąd średnia energia konieczna do utrzymania pola jest zerowa, a energia bierna w kilowatogodzinach nie jest naliczana na liczniku mocy czynnej. Prąd magnesowania wytwarza energię bierną i choć nie wykonuje pracy użytkowej, przepływa pomiędzy generatorem i obciążeniem, wymuszając dodatkowe obciążenie źródła energii, jak również systemu transmisji i dystrybucji.
Wiele zakładów energetycznych ustala w taryfie za energię elektryczną opłatę za przekroczenie współczynnika mocy. Opłata ta stanowi zwrot kosztów za dostarczenie dodatkowego prądu przy ustalonym minimalnym współczynniku mocy zazwyczaj na poziomie 0,85 do 0,95. Kiedy współczynnik mocy odbiorcy zmniejsza się poniżej wartości minimalnej, zakład energetyczny nalicza pobór mocy wg odpowiedniej stawki na rachunku klienta. Innym sposobem uzyskania dodatkowych dochodów przez zakłady energetyczne przy poborze energii przy niskim poziomie współczynnika mocy jest naliczanie opłat dla kVA (energii pozornej), a nie za kW (energii czynnej). Ze względu na fakt, że zakłady elektroenergetyczne narzuciły głównie dla dużych użytkowników różne zasady fakturowania, istotne jest rozumienie zastosowanych metod rozliczania pobranej energii elektrycznej.
Poprawa współczynnika mocy
Wprowadzanie elementów biernych pojemnościowych stanowi najbardziej ekonomiczny sposób poprawy współczynnika mocy. W przypadku obciążenia indukcyjnego prąd opóźnia się względem napięcia, natomiast dla obciążenia pojemnościowego je wyprzedza. W ten sposób kondensatory stanowią wyprzedzający napięcie generator prądu biernego, który kompensuje opóźniający się prąd bierny instalacji (indukcyjny).
Wyrażenie „odciążenie obwodu” oznacza, że jeśli współczynnik mocy systemu jest poprawiony, to przepływ prądu zostanie zmniejszony, co pozwala wprowadzić dodatkowe obciążenia, które mogą być zasilane w tej samej instalacji. W przypadku wyposażenia elektrycznego, takiego jak transformatory, kable i generatory, które mogą zostać cieplnie przeciążone, poprawa współczynnika mocy może być uzasadnionym ekonomicznie sposobem zmniejszenia prądu i wyeliminowania stanu przeciążenia obwodu.
Zasadniczy koszt skuteczności poprawy współczynnika mocy zależy od opłat za współczynnik mocy użytkownika. Decydujące jest zrozumienie zakresu inwestycji użytkownika w celu określenia zwrotu kosztów inwestycji w poprawę współczynnika mocy.
Wysoki współczynnik mocy w zakładzie jest bez wątpienia źródłem bezpośrednich oszczędności. Dodatkowo oprócz zmniejszenia opłat z tytułu współczynnika mocy wytwarzanego przez niektóre urządzenia mogą wystąpić inne czynniki ekonomiczne, które, jeśli będą rozważone całościowo, mogą prowadzić do zainstalowania baterii kondensatorów do poprawy współczynnika mocy, które zapewniają zwrot inwestycji.
Inne oszczędności, takie jak zmniejszone straty dystrybucji, ograniczenie spadków napięcia i zwiększenie obciążalności prądowej zakładu, są mniej oczywiste. W rzeczywistości wymienione pozytywne zjawiska zapewniają niewielkie oszczędności w kosztach, które są i tak małe w porównaniu do oszczędności uzyskanych dzięki zmniejszeniu kar z tytułu przekroczenia współczynnika mocy.
Analiza harmonicznych prądowych
W artykule świadomie założono, że zakład nie pobiera znaczących harmonicznych prądowych. W przypadku zastosowania kondensatorów w obwodzie, gdzie występują wyższe harmoniczne (rzeczywisty współczynnik mocy) należy mieć świadomość następujących zagrożeń.
Chociaż kondensatory same z siebie nie generują wyższych harmonicznych, dodatkowe problemy powstają, jeśli bateria do poprawy współczynnika mocy jest zastosowana w obwodach z obciążeniami nieliniowymi, które pobierają wyższe harmoniczne prądowe. Te kondensatory mogą obniżyć na tyle częstotliwość rezonansową obwodu, że jest możliwe wystąpienie rezonansu, podczas którego reaktancja indukcyjna jest równa pojemnościowej. Jeżeli rezonans powstanie, poziom wyższych harmonicznych prądowych w systemie i baterii kondensatorów wzrasta ponad poziom harmonicznych prądowych generowanych przez obciążenie nieliniowe. Prąd może być wystarczająco duży, aby zadziałały zabezpieczenia baterii kondensatorów, i powoduje powstanie innych dodatkowych problemów (przyp. autora – tj. nagrzewanie się kondensatorów i ich rozszczelnianie). Rozwiązanie wymienionych problemów polega na odstrojeniu obwodu od warunków rezonansu przez zmianę miejsca podłączenia kondensatorów, przez zmianę wartości pojemności lub zainstalowanie biernych filtrów indukcyjnych w baterii kondensatorów, co oczywiście zwiększa jej koszt.
Alternatywnym rozwiązaniem jest użycie aktywnego filtru wyższych harmonicznych.
Analiza baterii kondensatorów i kosztów z nią związanych
Wybór rodzaju baterii kondensatorów i miejsca jej lokalizacji ma wpływ na koszt baterii. Znacznie trudniejsze niż określenie całkowitej wymaganej pojemności jest podjęcie decyzji o miejscu usytuowania baterii. Należy rozważyć następujące rozwiązania:
- wybór pomiędzy jedną baterią kondensatorów o odpowiednio dużej pojemności a mniejszymi pojemnościami umieszczonymi przy pojedynczych odbiornikach,
- kondensatory przyłączone na stałe lub przełączane automatycznie.
Zazwyczaj w przypadku użycia kondensatorów jako generatora mocy biernej kvar, najefektywniejszym miejscem ich instalacji są zaciski odbiornika o charakterze indukcyjnym, dla którego będzie poprawiany współczynnik mocy.
Lokalizacja stałych pojemności powinna uwzględniać następujące zasady:
1. Przyłączenie wymaganej liczby kondensatorów do głównej szyny zasilającej ogranicza opłaty za przekroczenie dopuszczalnego współczynnika mocy, ale nie zmniejsza strat mocy w zakładzie. Kondensatory umieszczone w jednym miejscu są bardziej podatne na występowanie rezonansu dla częstotliwości wyższych harmonicznych.
2. Rozdzielenie kondensatorów w szafach sterowniczych silników proporcjonalnie do średniego obciążenia ogranicza straty, ale nie jest do końca optymalne.
3. Rozdzielenie kondensatorów stosownie do zaleceń zawartych w tablicach NEMA z uwzględnieniem mocy silnika nie optymalizuje wymiarów kondensatora. Zastosowanie pojemności dla małych obciążeń jest często proporcjonalnie dużo droższe w stosunku do większych stałych kondensatorów, głównie z powodu kosztów instalacji.
Rozwiązania z opcją przełączania pojemności zawierają:
1. Przełączanie kilku kondensatorów dołączonych do silników dużej mocy jest rozwiązaniem opcjonalnym. Kondensatory mogą zostać zainstalowane albo bezpośrednio na zaciskach silnika lub zostać załączane stycznikiem w szafie sterowania danego silnika, z uwzględnieniem jego obciążenia. Jeżeli silnik ma wystarczająco dużą moc, aby użyć kondensatorów o tej samej wielkości jak rozważano dla układu stałych pojemności, trzeba ponieść niewielkie dodatkowe koszty ich instalacji na silnikach. Z ekonomicznego punktu widzenia nie opłaca się umieszczać kondensatorów na kilku małych silnikach. Występuje stosunkowo mała różnica w kosztach instalacji dużych i małych jednostek o napięciu 480 V.
2. Druga opcja przełączania uwzględnia zastosowanie regulatora współczynnika mocy zainstalowanego w baterii kondensatorów. Regulator steruje przełączaniem w dużych bateriach kondensatorów podzielonych na niewielkie stopnie (zazwyczaj 25 do 50) by nadążać za poziomem obciążenia. Jeżeli optymalizuje się dystrybucyjne straty mocy, to baterie do poprawy współczynnika mocy z wbudowanymi regulatorami powinny być raczej instalowane w szafach sterowania silnikami niż na szynach głównego zasilania. Ekonomia zakupu, instalacji, ochrony i kontroli jednostek zautomatyzowanych baterii do poprawy współczynnika mocy może przeważyć decyzję o instalacji na szynach głównych rozdzielnicy, jeżeli podstawowym celem jest uniknięcie dodatkowych opłat za niedotrzymanie wartości współczynnika mocy.
Dławiki mogą zostać dodane do stałych lub automatycznych baterii kondensatorów do poprawy współczynnika mocy, by zapobiec ryzyku szkodliwych następstw oddziaływania wyższych harmonicznych (filtry rozstrojone).
Wnioski
Odpowiedź na pytanie – „czy poprawienie współczynnika mocy rzeczywiście zmniejszy rachunek za energię elektryczną?” nie jest jednoznaczna. Niewątpliwie zwiększanie poziomu współczynnika mocy jest udowodnionym sposobem poprawy efektywności zużycia energii elektrycznej przez urządzenia i użytkowników końcowych. Zastosowanie kondensatorów w środowisku wyższych harmonicznych wymaga jednak szczegółowej analizy.
Ekonomiczne korzyści dla użytkowników końcowych wskutek poprawy współczynnika mocy mogą się przejawiać w zmniejszonych rachunkach za energię elektryczną, zastosowaniu mniejszych przekrojów kabli, ograniczeniu strat w transformatorach, poprawie poziomu napięcia elektrycznego.
Kondensatory są efektywnym, pewnym i skutecznym środkiem poprawy współczynnika mocy.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Marka Olesza, pracownika Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej.
Autor: Ed Kwiatkowski
