Większość menedżerów zakładów produkcyjnych wie, że stosowanie silników indukcyjnych może się wiązać z niską wartością współczynnika mocy i wysokimi rachunkami za prąd. Wiele z tych osób nie wie natomiast, dlaczego tak się dzieje. Najprostsze wytłumaczenie jest takie: niska wartość współczynnika mocy obniża wydajność systemu, jest przyczyną marnotrawienia energii, a także zwiększa koszty konserwacji z powodu podwyższonej temperatury pracy urządzeń.
O mówienie tytułowego zagadnienia zacznijmy od przypomnienia podstawowych wiadomości o mocy w obwodach prądu zmiennego (rys. 1). Moc czynna (P), wyrażana w kilowatach, jest to faktyczna moc wykonująca pracę. Jeśli w obwodzie pracuje silnik indukcyjny, to moc potrzebna do wytworzenia prądu wzbudzającego lub magnesującego jest nazywana mocą bierną (Q) i wyrażana w kilowarach (kvar). Połączeniem – sumą geometryczną mocy czynnej i biernej – jest moc pozorna, mierzona w kilowolt-amperach (kVA). Jest ona proporcjonalna do napięcia i całkowitego prądu.
Jednak nie cała wartość prądu pobieranego z układu zasilania wnosi swój wkład w moc czynną wykonującą pracę, dlatego operatorzy przemysłowych systemów użytkowych ciągle muszą dbać o sprawność układów zasilających, przesyłu i dystrybucji, by dopasować je do poziomu mocy pozornej i zaspokoić zapotrzebowanie na moc całego systemu.
Współczynnik mocy w obwodzie prądu zmiennego to stosunek mocy czynnej do mocy pozornej.
Moc bierna maleje wraz ze spadkiem prądu w sieci, a razem z nią moc pozorna, której wartość zbliża się do mocy czynnej. W idealnym obwodzie prądu zmiennego, z samymi odbiornikami rezystancyjnymi, współczynnik mocy wynosiłby 1, a moc bierna 0. Dla kontrastu, w obwodzie z samymi urządzeniami indukcyjnymi współczynnik mocy może być bardzo niski lub będzie wynosił 0, wtedy moc czynna zbliża się do 0 lub równa się tej wartości. Ponieważ większość przemysłowych obwodów składa się zarówno z odbiorników rezystancyjnych, jak i indukcyjnych, trzeba w takich układach zwiększyć podaż prądu tak, by sprostać zapotrzebowaniu na moc czynną w fabryce, która ma niską wartość współczynnika mocy ze względu na zasilanie silników indukcyjnych.
Dla operatorów przemysłowych systemów zasilania oznacza to konieczność wytworzenia dodatkowych prądów w celu skompensowania strat, np. cieplnych. Dla klientów oznacza to z kolei wyższe rachunki i/lub problemy z dystrybucją mocy w zakładzie. W przypadku ekstremalnie niskiego współczynnika mocy konieczne może się okazać zwiększenie przekroju przewodów, obciążenia nominalnego przełączników, wyłączników i transformatorów.
Popularne metody i sposoby na zwiększenie wartości współczynnika mocy
Wartość współczynnika mocy zwiększa się zwykle przez wykorzystanie silników synchronicznych lub dodatkowych kondensatorów PFCC. W obu przypadkach moc bierna jest kompensowana lokalnie, tak by zmniejszyć zapotrzebowanie na moc pozorną, bez względu na to, czy chodzi o zmniejszenie rachunków, czy o zwiększenie wydajności systemu zasilania. Najprostszym i najtańszym sposobem poprawy współczynnika mocy w istniejącej instalacji jest zamontowanie w układzie kondensatora lub baterii kondensatorów PFCC, przy zachowaniu szczególnej uwagi co do jego lokalizacji i parametrów.
Lokalizacja kondensatora
Rys. 2 pokazuje trzy możliwe lokalizacje kondensatora PFCC. W pierwszej kondensator pozostaje cały czas pod napięciem. Jeżeli występuje obciążenie od urządzenia indukcyjnego, może się pojawiać prąd udarowy, skutkujący wysokim napięciem w szynie zbiorczej. Mimo to lokalizacja ta jest polecana w przypadkach, gdy występuje impulsowanie lub częste włączanie-wyłączanie, jak to ma miejsce np. w silnikach w dźwigach, windach, silnikach o zmiennej prędkości, przy rozruchu autotransformatorowym, rozruchu z przełącznikiem gwiazda-trójkąt czy rozruchu z częścią uzwojenia.
Lokalizacje 2 i 3 mają tę zaletę, że kondensator pozostaje bez napięcia, jeśli silnik nie pracuje. W przypadku lokalizacji 3 ważne jest uwzględnienie tego, że kondensator zmniejsza prąd w odgałęzieniu, dlatego należy użyć wyłącznika przeciążeniowego o niższych parametrach. W większości wypadków można natomiast polecić lokalizację 2.
Dobór parametrów kondensatora
Podczas selekcji ważne jest, by wybrać kondensator o takich parametrach, które minimalizują ryzyko przekroczenia nie tylko dopuszczalnego napięcia zasilania, ale także prądu przejściowego czy momentu obrotowego. Przy zainstalowanym kondensatorze (rys. 3) moc bierna w szynie zbiorczej (Q1) jest różnicą zapotrzebowania na moc bierną silnika (Q3) i mocy biernej dostarczanej przez kondensator (Q2). By zbalansować wydajność i ryzyko związane z przewzbudzeniem, poleca się zwiększyć wartość współczynnika mocy do 0,90 lub 0,95.
Jako przykład rozważmy trójfazowy, czteropolowy silnik indukcyjny o mocy znamionowej PN = 186,5 kW przy 460 V i 277 A, skuteczności η = 96,2% oraz współczynniku mocy cos(ϕ) = 0,88. Aby obliczyć parametry kondensatora potrzebne do podniesienia współczynnika mocy do wartości 0,95, najpierw obliczamy moc czynną:
Następnie, jeżeli obecny współczynnik wynosi cos(ϕ1) = 0,88, a nowy cos(ϕ) = 0,95,
znajdujemy kąty fazowe ϕ1 = 28,36° i ϕ1=18,19°. Szukany parametr kondensatora PFCC będzie równy lokalnej mocy biernej (Q2), potrzebnej do podniesienia wartości współczynnika mocy do 0,95:
Dla każdego kąta fazowego ϕ1 wartość tan(φ1) to stosunek mocy biernej do czynnej. Stąd, mnożąc moc czynną P przez ten stosunek, otrzymujemy moc bierną Q.
Efekt zwiększenia wartości współczynnika mocy
By określić, jaki efekt dało podniesienie wartości współczynnika mocy, obliczymy całkowity prąd w układzie przed korekcją i po jej dokonaniu:
W tym przykładzie widać, że natężenie prądu zmalało o 21 A, czyli 7,6%. Należy zauważyć, że współczynnik mocy zmienia się wraz z obciążeniem, więc obliczone wartości będą obowiązywały tylko dla obciążenia tutaj przyjętego.
Podsumowanie
Rozważając wprowadzenie korekcji współczynnika mocy, warto się skonsultować z producentem silnika lub firmą doświadczoną w tego typu modyfikacjach. Daje to pewność właściwej implementacji, odpowiedniego doboru parametrów kondensatora i odpowiedniej jego lokalizacji.
Autor: Mike Howell jest ekspertem ds. wsparcia technicznego w Electrical Apparatus Service Association Inc. (EASA). EASA jest międzynarodowym stowarzyszeniem zrzeszającym ponad 1900 firm z 62 krajów sprzedających i serwisujących sprzęt elektryczny, elektroniczny i elektromechaniczny.
Tekst pochodzi ze specjalnego wydania “Sterowanie Silniki & Napędy“. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
