Jeżeli zakład przemysłowy nie rozwiązuje problemu zbyt niskiego współczynnika mocy oraz występowania harmonicznych, to konsekwencje tego mogą być poważne.
Rozważmy taką sytuację. Zamówiona pizza, którą dostarczono nam do domu, nie jest cała – brakuje kawałka. Nie mamy zamiaru tego zignorować. Chcemy wiedzieć, co się stało z tym kawałkiem? Dostawca zjadł po drodze? Może ktoś w pizzerii przypadkowo włożył łokieć do pizzy podczas pakowania? Nie wiadomo.
Podobnie jest w przypadku energii elektrycznej zasilającej zakład przemysłowy. Firma płaci za dostarczaną energię, aby zmaksymalizować wydajność produkcji. Ale co się dzieje w sytuacji, gdy firma nie interesuje się tym, za co właściwie płaci? W środowisku przemysłowym kluczowym parametrem jest współczynnik mocy. Jest to stosunek mocy czynnej, mierzonej w kilowatach (kW), do mocy pozornej, mierzonej w kilowoltoamperach (kVA).
Moc pozorna jest całkowitą mocą wymaganą przez zakład przemysłowy od zakładu energetycznego. Dostarczane jest napięcie i prąd, niezależnie od tego, jak właściwie są wykorzystywane. Generalnie zakłady energetyczne obciążają odbiorców wyższymi kosztami, gdy wartość współczynnika mocy spadnie poniżej pewnego poziomu, najczęściej 90% (patrz fot.1).
współczynnik mocy = moc czynna (kW) / moc pozorna (kVA)
- przykład dobrego współczynnika mocy: 50 kW/52 kVA = 0,96 (96%)
- przykład złego współczynnika mocy: 50 kW/63 kVA = 0,79 (79%)
Koszty braku efektywności energetycznej
Mówiąc o współczynniku mocy, tak naprawdę mówimy o efektywności energetycznej. Wielkość ta pokazuje nam, jak wykorzystujemy w zakładzie dostarczaną energię elektryczną. Jeśli odbiorniki energii byłyby w 100% efektywne energetycznie, to zapotrzebowanie na moc byłoby równe mocy dostępnej.
Gdy pobór mocy jest większy od dostępnej mocy przyłączeniowej, to sieć energetyczna zostaje przeciążona. Wiele zakładów energetycznych dodaje do cen energii elektrycznej dla dużych odbiorców dodatkowe opłaty za ponadumowny pobór mocy. Większość zakładów energetycznych oblicza zapotrzebowanie na moc na podstawie przeciętnego obciążenia sieci przez odbiorcę w czasie od 15 do 30 minut. Jeśli pobór mocy jest nieregularny, to zakład energetyczny musi mieć więcej dostępnej mocy rezerwowej niż w przypadku, gdy pobór mocy jest stały.
Jeśli na przykład współczynnik mocy jakiejś fabryki jest mniejszy niż 97%, to można podjąć działania mające na celu odnalezienie tej brakującej części i zaoszczędzenie energii. Na zbyt niską wartość współczynnika mocy w przemyśle mają wpływ głównie dwa czynniki: indukcyjność silników elektrycznych oraz wyższe harmoniczne prądów. Pierwszym etapem na drodze do poprawy współczynnika mocy jest więc wykonanie odpowiednich pomiarów, aby wykryć główną przyczynę niekorzystnej sytuacji.
Po dokonaniu pomiarów zużywanej energii i jej jakości uzyskuje się praktyczne informacje na temat wzorców pracy fabryki. Pomiary pomogą w zrozumieniu, jak zużywana jest energia każdego miesiąca. Monitorowanie, analizowanie i porównywanie historii pracy sprzętu w fabryce pomaga w znalezieniu przyczyny i stopnia problemów z jakością energii, wpływających na współczynnik mocy.
Co się dzieje z brakującą częścią współczynnika mocy?
Brakująca część współczynnika mocy oznacza marnowanie energii. Aby poprawić współczynnik mocy, należy odnaleźć główną przyczynę jego zbyt niskiej wartości. Co się dzieje z energią elektryczną i jak jest ona zużywana (lub marnowana)? Marnowanie energii jest powszechne, gdy ma miejsce asymetria napięć lub prądów. Albo wibracje silników. Energia elektryczna jest zużywana niepotrzebnie – zamiast zamiany na użyteczną energię mechaniczną – na wibracje silnika. Jest to stracona energia, która nie może być odzyskana. Jeśli jakiś system pracuje nieefektywnie z jakiegokolwiek powodu, to może się przegrzewać. To nadmierne ciepło jest także marnowaną energią.
Asymetria napięć i prądów
Asymetria napięć jest miarą różnic napięć fazowych w systemie trójfazowym. Powoduje ona pogorszenie sprawności silników trójfazowych oraz skrócenie ich żywotności. Asymetria napięć na zaciskach stojana silnika powoduje wysoką asymetrię prądów, która może być nawet od 6 do 10 razy większa od asymetrii napięć. Asymetria prądów prowadzi z kolei do powstania hamującego momentu obrotowego i zwiększenia temperatury silnika, a w konsekwencji do pulsacji momentu obrotowego, zwiększenia wibracji oraz naprężeń mechanicznych, zwiększenia strat energii i przegrzewania silnika. Za całą straconą energią stoi zbyt niski współczynnik mocy.
Asymetria napięć i prądów może ponadto wskazywać na problemy związane z konserwacją, takie jak poluzowanie połączenia czy skorodowane styki. Odnalezienie takich miejsc i naprawa może sprawić, że sprzęt będzie pracował efektywniej, zaś współczynnik mocy zostanie częściowo poprawiony.
Należy wykonać pewną liczbę pomiarów asymetrii napięć fazowych, używając wysokiej jakości miernika cyfrowego, oraz asymetrii prądów fazowych, używając wysokiej jakości cyfrowego miernika cęgowego. Natomiast wykonanie dokładnych pomiarów asymetrii w czasie rzeczywistym wymaga użycia trójfazowego analizatora jakości energii. Pomoże to w odnalezieniu przyczyn występowania tych asymetrii. Przerwy w obwodach oraz jednofazowe zwarcia doziemne są łatwiejsze do odnalezienia niż asymetria obciążeń, która zwykle wymaga dokonania zmian w całej instalacji.
Baterie kondensatorów do poprawy współczynnika mocy
Poprawę niskiego współczynnika mocy wywołanego prądami indukcyjnymi uzyskuje się za pomocą specjalnych baterii kondensatorów – urządzeń magazynujących energię – podłączanych do rozdzielnic w zakładach przemysłowych. Poprawa współczynnika mocy najlepiej jest realizowana za pomocą automatycznego sterownika, który podłącza do instalacji i odłącza poszczególne kondensatory, a czasem także i dławiki kompensacyjne wchodzące w skład baterii. W najprostszych przypadkach stosowana jest bateria kondensatorów o stałej pojemności.
Baterie kondensatorów do poprawy współczynnika mocy wymagają wykonywania regularnych inspekcji oraz konserwacji zapobiegawczej. W normalnych warunkach pracują bezawaryjnie przez wiele lat. Przedwczesne awarie baterii kondensatorów i związanych z nimi obwodów mogą być spowodowane harmonicznymi prądów, wysoką temperaturą otoczenia oraz zbyt słabą wentylacją. Awarie mogą mieć wpływ na znaczny wzrost opłat za energię elektryczną, zaś w ekstremalnych przypadkach spowodować pożar lub wybuch.
Ważne jest, aby regularnie przeprowadzać inspekcje baterii kondensatorów do poprawy współczynnika mocy i upewniać się, że pracują one poprawnie. Harmonogram zalecanej konserwacji zapobiegawczej znajduje się na stronie internetowej producenta baterii.
Identyfikowanie i kompensacja harmonicznych
Wyższe harmoniczne (harmoniczne) napięć i prądów to napięcia i prądy o częstotliwościach będących mnożnikami częstotliwości podstawowej. Na przykład jeśli częstotliwość podstawowa wynosi 60 Hz (w USA, w Polsce 50 Hz – przyp. tłum.), to częstotliwość drugiej harmonicznej wynosi 120 Hz (100 Hz), trzeciej 180 Hz (150 Hz) itd. Harmoniczne te zniekształcają przebiegi napięć, które powinny być czystą sinusoidą.
Urządzenia, których przebiegi prądu przewodzonego są krótsze od okresu sinusoidy napięcia zasilającego, to odbiorniki nieliniowe, tak więc generują one harmoniczne. Istnieją dwa podstawowe typy odbiorników nieliniowych: jednofazowe i trójfazowe. Jednofazowe odbiorniki nieliniowe przeważają w biurach, natomiast trójfazowe są powszechne w zakładach przemysłowych. Symptomy zwykle objawiają się w urządzeniach rozdzielczych, które zasilają odbiorniki nieliniowe.
Przewody neutralne. W 4-przewodowym układzie trójfazowym na przewody neutralne poważny wpływ mogą mieć odbiorniki nieliniowe, podłączone do poszczególnych obwodów 120 V (w USA, w Polsce 230 V). W warunkach normalnych dla zrównoważonego obciążenia liniowego podstawowa część 60 Hz (50Hz) prądów fazowych sumuje się geometrycznie do zera w przewodzie neutralnym.
W układzie 4-przewodowym z jednofazowymi odbiornikami nieliniowymi pewne nieparzyste harmoniczne (harmoniczne potrójne, ang. triplens), czyli o częstotliwościach będących nieparzystymi mnożnikami podstawowej, ale będących podzielnymi przez 3: trzecia, dziewiąta, piętnasta itp., sumują się arytmetycznie w przewodzie neutralnym. Tak więc w przewodzie neutralnym płynie zbyt duży prąd, który może spowodować powstanie napięcia pomiędzy przewodem neutralnym a ziemią w gniazdach 120 V (230 V).
Wyłączniki nadprądowe. Popularne termiczno-magnetyczne wyłączniki nadprądowe wykorzystują bimetaliczny mechanizm wyzwalający, który reaguje na ciepło wydzielające się na skutek przepływu zbyt dużego prądu w obwodzie. Są one tak skonstruowane, aby reagowały na prawdziwą wartość skuteczną (True RMS) prądu i przerywają obwód, gdy mechanizm wyzwalający staje się zbyt gorący. Wyłącznik tego typu może być dobrym zabezpieczeniem przed przeciążeniami harmonicznymi prądów. Natomiast wyłączniki reagujące na wartość szczytową (przekaźniki zabezpieczające prądowe) nie zawsze reagują prawidłowo na harmoniczne prądów.
Ponieważ wartość szczytowa harmonicznych prądów jest generalnie wyższa niż w przypadku prądów niezawierających harmonicznych, ten typ wyłącznika nadprądowego może zadziałać przedwcześnie przy zbyt niskim prądzie. Jeśli wartość szczytowa jest niższa od normalnej, to wyłącznik może nie zadziałać w sytuacji, gdy powinien.
Szyny rozdzielnic i końcówki kablowe. Szyny neutralne oraz końcówki kablowe są tak dobierane, aby przewodziły pełną wartość odpowiedniego (znamionowego) prądu fazowego. Mogą one zostać przeciążone, gdy przewody neutralne zostaną przeciążone dodatkową sumą potrójnych harmonicznych.
Rozdzielnice. Rozdzielnice zaprojektowane do przewodzenia prądów o częstotliwości 60 Hz (50 Hz) mogą rezonować na skutek pól magnetycznych, generowanych przez wyższe harmoniczne prądów. W takich sytuacjach rozdzielnica wibruje i emituje brzęczenie o częstotliwościach równych częstotliwości harmonicznych prądów.
Systemy telekomunikacyjne. Systemy te często dają użytkownikom pierwszy objaw powstania problemu z harmonicznymi, ponieważ kable sygnałowe często biegną obok kabli zasilających. Aby zminimalizować indukcyjną interferencję od prądów fazowych, kable telekomunikacyjne są układane bliżej przewodu neutralnego.
Potrójne harmoniczne w przewodzie neutralnym zwykle powodują sprzężenia indukcyjne, które mogą być słyszalne przez telefon stacjonarny. Jest to często pierwszy objaw powstania problemu z harmonicznymi. Należy go jak najszybciej rozwiązać, zanim powstanie poważne uszkodzenie.
Ponieważ harmoniczne prądów płynące przez impedancje systemów powodują zniekształcenia napięć, może to być także przyczyną powstawania spadków napięć. W poważnych przypadkach takie zniekształcenia napięć mogą spowodować wyzwalanie przekaźników termicznych i zabezpieczeń oraz błędy logiczne w programowalnych sterownikach logicznych (PLC) i napędach o zmiennej częstotliwości (VFD). Gdy zniekształcenia napięć wzrastają, odbiorniki liniowe zaczynają pobierać harmoniczne prądów. W silnikach elektrycznych niektóre z tych harmonicznych – głównie piąta i jedenasta – powodują powstanie hamującego momentu obrotowego. Wynikiem tego jest spadek sprawności silnika, jego przegrzewanie się oraz skrócenie żywotności.
Monitorowanie, pomiary, odnajdowanie źródeł i eliminowanie harmonicznych
Zawartość harmonicznych powinna być mierzona w głównych punktach połączeń za pomocą analizatora jakości energii lub analizatora harmonicznych. Dla celów pojedynczych pomiarów wystarczy użyć wysokiej jakości multimetru cyfrowego – w przypadku harmonicznych napięć – lub miernika cęgowego wysokiej jakości – w przypadku harmonicznych prądów. Obydwa te mierniki muszą mieć funkcje pomiaru prawdziwej wartości skutecznej (True RMS). Jest to niezbędne do wykonania dokładnych pomiarów przebiegów zniekształconych.
Pojęcie „prawdziwa wartość skuteczna” (True RMS) odnosi się do średniej kwadratowej (root-mean square) albo do takiej wartości prądu/napięcia stałego, która w ciągu czasu równego okresowi prądu/napięcia przemiennego spowoduje ten sam efekt cieplny co dany przebieg prądu/napięcia zmiennego. Termin „prawdziwa” (true) odróżnia mierniki True RMS od zwykłych mierników AC, mierzących wartość szczytową napięcia/prądu i dzielących ją przez pierwiastek z 2 (ang. average responding meters). Takie mierniki AC dają poprawne wyniki jedynie dla czystej sinusoidy napięć i prądów, natomiast w przypadku przebiegów zniekształconych mogą podawać wartość wynoszącą zaledwie 50% poprawnej. Mierniki True RMS dają poprawne wyniki pomiarów dla przebiegów napięć i prądów o dowolnym kształcie, których parametry mieszczą się w paśmie częstotliwości i zakresie współczynnika kształtu danego miernika.
Prace należy rozpocząć od wykonania podstawowego poszukiwania źródeł harmonicznych w celu zorientowania się, czy w zakładzie istnieje problem z tymi napięciami i prądami. Działanie te obejmują:
- sporządzenie wykazu odbiorników energii;
- pomiar temperatury transformatorów;
- pomiar prądów w uzwojeniach wtórnych transformatorów;
- pomiar prądów w przewodach neutralnych w rozdzielnicach;
- pomiar napięć pomiędzy zaciskiem neutralnym a ziemią w gniazdach przyłączeniowych.
Wiele 6-pulsowych napędów VFD generuje piątą i siódmą harmoniczną. Napędy 12- i 18-pulsowe pomagają jednak ograniczać harmoniczne, ponieważ w miarę wzrostu liczby pulsów ich amplituda maleje. Innymi rozwiązaniami ograniczania harmonicznych generowanych przez napędy są: filtry i dławiki wejściowe/wyjściowe, filtry pasmowo-zaporowe oraz filtry aktywne – w bardziej złożonych sytuacjach. Filtry aktywne kompensują prądy bierne, ograniczają harmoniczne i asymetrię prądów.
Należy unikać popularnego błędu, polegającego na wykorzystywaniu kondensatorów do ograniczania harmonicznych prądów. Kondensator działa jako element zwierający dla wyższych harmonicznych. Ze względu na swoją rezystancję wewnętrzną kondensator będzie się nagrzewał, a jego żywotność drastycznie skróci się, ponieważ elektrolit zacznie parować.
Pomiar współczynnika zawartości harmonicznych (total harmonic distortion, THD) może pomóc w zorientowaniu się, czy zastosowanie filtrów jest konieczne. Należy zauważyć, że zakład energetyczny może wpływać jedynie na jakość napięcia oraz wielkość obciążenia generowanego przez zaaprobowane, podłączone do instalacji odbiorniki. Zakłady energetyczne nie odpowiadają za prądy, których przepływ wynika z instalacji odbiorcy energii.
Odnalezienie brakującej części współczynnika mocy i dążenie do zwiększenia efektywności energetycznej przyniesie oszczędności kosztów
Jeśli dany zakład przemysłowy ma niski współczynnik mocy, to pierwszym krokiem w kierunku poprawy tej sytuacji jest ustalenie jej podstawowej przyczyny za pomocą wykonania pomiarów. Należy dowiedzieć się, gdzie, kiedy i jak energia jest zużywana każdego miesiąca, a następnie dokonać strategicznych wyborów, które wyeliminują marnotrawstwo energii i poprawią współczynnik mocy. Jeżeli zakład pod względem wielkości i wykresu dobowego zużycia energii stanie się bardziej przewidywalny, pomoże to dostawcy energii w lepszym przygotowaniu się do realizacji potrzeb tego odbiorcy, a ten zaoszczędzi także na tym pieniądze.
Jason Axelson jest specjalistą ds. aplikacji produktów w firmie Fluke. Firma ta produkuje narzędzia do pomiarów i testów elektrycznych, takie jak: multimetry, mierniki cęgowe, mierniki izolacji, mierniki rezystancji uziemienia oraz testery instalacji. Od ponad 15 lat Jason Axelson pomaga klientom i partnerom swojej firmy w szukaniu rozwiązań poprawy jakości energii elektrycznej, a także w wyborze odpowiednich przenośnych oscyloskopów i testerów baterii. Prowadzi szkolenia z wykorzystywania produktów firmy w różnych aplikacjach, co pomaga w diagnozowaniu i rozwiązywaniu zarówno problemów technicznych, jak i związanych z produktami.
