Necesarul de energie reactiva in unitatile industriale

Necesarul de energie reactiva in unitatile industriale

Analiza curbelor de sarcina ale consumatorilor industriali arata ca, in majoritatea situatiilor practice, curba puterii reactive depaseste (chiar si la varf de sarcina activa) curba puterii active. Înseamna ca, de fapt, consumatorii solicita sistemului electroenergetic, in primul rand putere reactiva. Aceasta situatie nu corespunde scopului pentru care sunt construite centralele electrice si reteaua de transport si distributie a energiei electrice, acela de a produce si transmite, in conditii optime, in primul rand putere activa (Energia electrica activa reprezinta partea din energia electromagnetica, care este convertibila in alte forme utile de energie: mecanica, termica, chimica, luminoasa).

Puterea reactiva este produsa in centralele electrice numai in limitele factorului de putere nominal al generatoarelor sincrone, adica , in timp ce factorul de putere natural al consumatorilor este de: , adica foarte redus.

Daca centralele electrice ar oferi consumatorilor putere reactiva la factorul de putere redus, ele ar trebui sa-si reduca curentul si puterea activa a generatoarelor sincrone, fapt ce ar impune utilizarea instalatiilor primare (cazare, turbine, amenajari hidraulice etc.) mult sub capacitatea lor functionala, in contradictie cu scopul pentru care au fost proiectate, iar pe liniile de transport si distributie s-ar produce caderi mari de tensiune si pierderi mari de putere activa, transportul energiei electrice la distante mari devenind neeconomic.

1. Metode si mijloace de compensare a necesarului de putere reactiva

Producerea de energie reactiva nu necesita consum de combustibili primari, deoarece energia reactiva este energie electromagnetica pura inmagazinata in bobine si in condensatoare. Înseamna ca, energia reactiva poate fi produsa local, la consumatori.

Prin producerea locala de energie reactiva suplimentara, necesara consumatorilor, se descarca reteaua electrica de transport si de distributie de o parte din puterea reactiva si se mareste factorul de putere la bornele consumatorilor, asa cum se observa din Figura a,b.

a)

b)

Fig. Descarcarea retelei de o parte din puterea reactiva necesara consumatorului

prin producerea locala de putere reactiva suplimentara.

a)     Situatia initiala;

b)     Montarea, la consumator, a unei surse de putere reactiva,

Din figura 2.1, a), se observa ca, in situatia initiala, caderea de tensiune pe retea este:

(2.1)

si tensiunea la consumator: , (2.2)

iar pierderea de putere este: (2.3)

Dupa montarea sursei locale de putere reactiva, figura 2.1, b), caderea de tensiune si pierderea de putere se reduc, adica:

(2.4)

si (2.5)

Din punct de vedere economic nu intotdeauna, producerea locala de putere reactiva reprezinta cea mai avantajoasa metoda de reducere a circulatiei de putere reactiva pe reteaua electrica si de imbunatatire a factorului de putere la consumatori. De aceea, pentru receptoare se adopta si alte masuri, numite masuri tehnico-organizatorice de imbunatatire a factorului de putere, care se pot grupa in masuri de proiectare si masuri de exploatare.

În proiectare se impune alegerea acelor procese tehnologice care optimizeaza regimurile de functionare si de incarcare a receptoarelor astfel incat sa rezulte un factor de putere mediu natural cat mai ridicat in functionarea acestora.

În exploatare, masurile care se iau vizeaza reducerea necesarului de putere reactiva a receptoarelor, si sunt urmatoarele:

• Înlocuirea (in limita posibilitatilor) motoarelor asincrone cu motoare sincrone, care pot functiona, daca este necesar, supraexcitate;
• Înlocuirea motoarelor asincrone slab incarcate (sub 40%) cu alte motoare asincrone, de putere mai mica, corespunzatoare sarcinii masinilor de lucru;
• Utilizarea limitatoarelor de mers in gol pentru motoarele asincrone care antreneaza utilaje;
• Utilizarea unor scheme electrice care sa permita reducerea de la distanta a tensiunii la motoarele asincrone slab incarcate si greu accesibile;
• Deconectarea transformatoarelor slab incarcate (sub 30%) din statiile si posturile de transformare care alimenteaza unitatile industriale.

În cazul producerii locale de putere reactiva se utilizeaza urmatoarele mijloace de compensare: baterii de condensatoare si compensatoare sincrone.

Avantajele utilizarii bateriilor de condensatoare:

• Pierderi mici de putere activa: din puterea nominala absorbita;
• Posibilitati de extindere a instalatiei prin adaugare de noi elemente;
• Întretinere foarte simpla;
• Bateria de condensatoare nu contribuie la cresterea puterii de scurtcircuit in nodul la care se racordeaza;
• Pret de cost relativ scazut.

Dezavantajele utilizarii bateriilor de condensatoare:

• Debitare numai de putere reactiva inductiva, fapt ce impune deconectarea bateriei la functionarea consumatorilor in sarcina redusa sau la goluri de sarcina;
• Imposibilitatea realizarii unui reglaj fin al puterii reactive debitate, ci doar realizarea unui reglaj in trepte;
• Efect defavorabil asupra nivelului si reglajului de tensiune in zona datorita efectului de reglaj negativ al condensatoarelor (cu scaderea tensiunii in nodul de racord, scade si puterea reactiva debitata de bateria de condensatoare, fapt ce conduce la incarcarea retelei de alimentare cu putere reactiva si accentuarea scaderii tensiunii in nodul de racord).

Bateriile de condensatoare se folosesc pentru compensarea circulatiei de putere reactiva la consumatori cu puteri de pana la 5 Mvar, adica pentru intreprinderi mici si mijlocii.

Pentru intreprinderi cu puteri reactive absorbite mai mari de 5 Mvar se folosesc pentru compensare, compensatoare sincrone.

Compensatorul sincron este un motor sincron care functioneaza in gol absorbind de la retea putere activa numai pentru acoperirea pierderilor in fier si a pierderilor mecanice si care debiteaza putere reactiva inductiva, daca este supraexcitat.

Puterea nominala a compensatorului sincron este puterea reactiva inductiva maxima pe care o poate debita in functionarea supraexcitata.

Daca compensatorul sincron functioneaza subexcitat, absoarbe putere reactiva a carei valoare maxima este de 60% din puterea reactiva inductiva maxima debitata, adica:

(2.6)

Avantajele utilizarii compensatoarelor sincrone:

• Posibilitatea utilizarii lor atat ca surse, cat si ca si consumatori de putere reactiva inductiva, in functie de starea lor de excitare;
• Reglajul de putere reactiva se face fin;
• Sunt masini robuste care suporta solicitarile termice si electrodinamice ale curentilor de scurtcircuit;
• Au efect de reglaj pozitiv asupra retelei de alimentare, deoarece cu scaderea tensiunii in nodul de racord, creste puterea reactiva debitata, fapt ce descarca reteaua de alimentare de o parte din puterea reactiva care circula pe ea, iar tensiunea in nodul de racord, creste.

Dezavantajele utilizarii compensatoarelor sincrone

• Pierderi de putere activa mari: din puterea nominala absorbita;
• Necesita instalatie de pornire si de punere in paralel cu reteaua de alimentare;
• Întretinere atenta din cauza prezentei pieselor in miscare;
• Pret de cost ridicat.

La joasa tensiune si chiar si la medie tensiune, bateriile de condensatoare pentru compensarea circulatiei de putere reactiva se monteaza in paralel cu receptoarele sau consumatorii ale caror factor de putere trebuie imbunatatit.

În cadrul unei baterii de condensatoare, condensatoarele componente pot fi legate intre ele fie in triunghi, fie in stea, ca in figura 2.3. a,b.

Fig.2.3. Scheme de montare a condensatoarelor in cadrul unei

baterii de condensatoare. a) montaj in triunghi b) montaj in stea

Pentru a analiza care dintre cele doua solutii de montaj este mai avantajoasa din punct de vedere economic se pune conditia ca in ambele solutii sa se produca aceeasi putere reactiva, adica:

(2.7)

sau

(2.8)

de unde rezulta: (2.9)

Pentru aceeasi putere reactiva debitata, capacitatea condensatoarelor legate in stea este de trei ori mai mare decat capacitatea condensatoarelor legate in triunghi. Deci costul bateriei de condensatoare legate in stea este mai mare. Acest lucru este valabil la joasa tensiune. La medie tensiune insa, datorita costului ridicat al izolatiei, diferenta de costuri se diminueaza.

Aplicatie

La un tablou de distributie trifazat, de j.t. se absoarbe P=150 kW la Sa se dimensioneze bateria de condensatoare pentru a obtine , in variantele Y si si sa se precizeze care varianta este preferata..

Rezolvare:

- pentru conexiunea Δ, avem:

- pentru conexiunea Y, avem:

;

Conexiunea necesita condensatoare cu capacitatea de 3 ori mai mica decat conexiunea Y.

De aceea, la 400 V se prefera conexiunea , pentru ca nu se pune problema costului marit al izolatiei conexiunii .

Pentru respectarea normelor de tehnica securitatii muncii in timpul exploatarii bateriei de condensatoare, aceasta trebuie prevazuta, inca de la montare, cu elemente care sa permita descarcarea condensatoarelor bateriei in mod direct si imediat, fara efectuarea unor manevre suplimentare. Pentru aceasta, producatorii includ la majoritatea bateriilor de condensatoare si un ansamblu de rezistoare de descarcare, montat in paralel cu bateria si legat la ea, ca in figura 2.4.

Fig.2.4. Conectarea unui ansamblu de rezistoare

de descarcare la bateria de condensatoare.

Daca la joasa tensiune bateria de condensatoare nu este prevazuta cu un sistem direct de descarcare, la montare trebuie conectat un ansamblu de lampi cu incandescenta in aval de intrerupatorul automat sau de ansamblul de sigurante fuzibile pentru ca, la deconectarea bateriei de la retea, aceasta sa se descarce direct peste lampi, ca in figura 2.5. a,b.

Fig.2.5. Scheme pentru descarcarea directa a bateriei de condensatoare.

a) montare lampi in aval de intrerupator; b) montatrea de sigurante fuzibile;

c) conectarea bateriei la barele de joasa tensiune; d) conectarea bateriei

la medie tensiune cu descarcare pe transformator de tensiune.

Daca bateria de condensatoare se monteaza pe barele de joasa tensiune ale postului de transformare, figura 2.5 c, ea trebuie legata astfel incat sa se poata descarca direct pe rezistenta infasurarii secundare a transformatorului din post.

Daca bateria de condensatoare se leaga direct la medie tensiune, figura 2.5 d, se prevede si un transformator de tensiune pe rezistenta caruia sa se descarce direct bateria.

Dupa pozitia ocupata de amplasamentul bateriei de condensatoare se disting trei tipuri de compensare, ca in figura 2.6:

• Compensare individuala
• Compensare de grup
• Compensare centralizata

Fig.2.6. Tipuri de compensare intr-o unitate industriala.

• Compensarea individuala - amplasarea bateriei de condensatoare langa receptorul de compensat. Se reduc pierderile in reteaua din amonte de receptor, dar compensarea devine nula daca se deconecteaza receptorul. Se aplica la motoare electrice cu puteri peste 5 kW si minim 500 ore de functionare pe luna.
• Compensare de grup - amplasarea bateriei de condensatoare pe bara la care sunt racordate mai multe receptoare. Se reduc pierderile de putere si caderile de tensiune pe reteaua din amonte, iar compensarea functioneaza chiar daca se deconecteaza unul sau mai multe receptoare. La deconectarea receptoarelor apare pericolul supracompensarii in zona de consum din amonte. Pentru evitarea acestui fenomen, bateria de condensatoare trebuie prevazuta cu trepte de reglaj.
• Compensarea centralizata - amplasarea bateriei de condensatoare pe barele principale de distributie (la joasa tensiune sau la medie tensiune) ale unitatii industriale. Se compenseaza toate receptoarele din aval, dar pierderile de putere si de tensiune se reduc numai pe reteaua de alimentare din amonte.

2. Determinarea puterii reactive a instalatiilor de compensare si modul de functionare al

acestora

Valoarea minima a factorului de putere pe care trebuie sa o realizeze orice consumator industrial se numeste factor de putere neutral . În Romania, marii consumatori industriali sunt obligati sa asigure un .

Valoarea lui poate fi depasita numai daca prin aceasta se realizeaza economii la investitiile in reteaua electrica proprie, iar nivelul de tensiune local permite acest lucru.

Puterea reactiva, , a instalatiei de compensare se determina cu relatia:

(2.10)

unde: - puterea medie pe intervalul de cerere a consumatorului;

- tangenta unghiului de defazaj, , corespunzator factorului de putere natural al consumatorului;

- tangenta unghiului de defazaj, , corespunzator factorului de putere neutral impus de furnizorul de energie electrica.

Daca tensiunea aplicata instalatiei de compensare este constanta, atunci si puterea reactiva, , debitata de aceasta este constanta si independenta de variatia consumului de putere reactiva a consumatorului (figura 2.7).

Fig.2.7. Variatia puterii reactive

reale a unui consumator

si puterea reactiva debitata de

instalatia de compensare.

Apar situatii de subcompensare, cand si de supracompensare, - cand . Situatiile de supracompensare sunt defavorabile pentru sistemul electroenergetic deoarece reteaua de transport si de distributie se incarca cu putere reactiva suplimentara debitata de instalatia de compensare.

Pentru evitarea situatiilor de supracompensare, bateriile de condensatoare trebuie realizate in trepte de putere, care, printr-un echipament propriu de comutatie, trebuie introduse sau scoase din circuit in functie de evolutia in timp a necesarului de putere reactiva al consumatorului.

Aplicatie

Un receptor inductiv trifazat (cuptor de inductie cu miez de fier) alimentat la 400 V si 50 Hz absoarbe o putere activa P=275 kW la . Sa se dimensioneze bateria de condensatoare necesara imbunatatirii factorului de putere pana la .

Rezolvare:

Puterea reactiva necesara a fi instalata in bateria de condensatoare este:

Bateriile trifazate de condensatoare de joasa tensiune se realizeaza in module de 15 kVar sau 20 kVar. Se vor adopta 6 module de 15 kVar.

Considerand conectarea bateriei in conexiune , pe o latura a conexiunii se va produce o putere reactiva:

Valoarea rezistentei de descarcare pe o latura a conexiunii in Δ se determina cu relatia:

unde: , este capacitatea condensatoarelor de pe o latura a conexiunii in Δ.

= timpul de descarcare, care la m.t. este si la j.t. minut;

- valoarea admisa a tensiunii reziduale pentru a nu periclita personalul este:

Se calculeaza capacitatea echivalenta a celor doua condensatoare montate in paralel pe o latura:

, iar pentru un condensator :

si rezulta valoarea rezistentei de descarcare:

Puterea activa disipata pe rezistenta de descarcare este:

Puterea disipata pe rezistenta de descarcare are o valoare foarte redusa si deci, se justifica mentinerea rezistentei de descarcare conectata permanent in paralel cu condensatoarele.