Corecția Factorului de Putere

Componente pentru PFC și filtrarea armonică (TDK)

Un sistem electric alimentat din rețea AC execută o activitate utilă și este apreciat pentru eficiența consumului de putere electrică, prin factorul de putere (PF). Utilizarea reală de energie electrică trebuie să fie definită de o putere reală. Dacă factorul de putere este de 0.75, producătorul de energie electrică în rețeaua AC trebuie să producă mai mult de 1.4VA pentru a satisface puterea reală de 1W. Dacă factorul de putere este de 0.95, trebuie doar 1,06VA pentru un necesar de 1W putere reală, producătorul de energie electrică fiind astfel mult mai eficient. Corecția factorului de putere permite ca distribuția energiei electrice să se facă cu eficiență maximă. Rețineți că, îmbunătățirea factorului de putere nu modifică semnificativ starea curentă sau de funcționare a motoarelor sau a surselor de alimentare cu comutare folosite la clientul rețelei AC. În schimb, dacă producătorul de energie beneficiază de factori de putere mari la consumatori, se reduc pierderile de energie electrică în transformatoare, în liniile de transport și de distribuție.

BR7000-I, BR7000-I/S485: Controller PFC, ieșiri 12 relee, PFC Convențional, interfață RS485.

Factorul de corecție poate aduce economii semnificative în facturile de energie atunci când producătorul impune o penalizare a factorului de putere scăzut în structura clienților industriali. Cea mai simplă penalizare e impusă prin calcularea taxelor de consum pe kilovolt-amperi (kVA) în loc de kilowați măsurați (kW). O altă metodă de pena­lizare este de a calcula o factură lunară, pornind de la consumul contorizat, dar mărit cu raportul dintre factorul de putere dorit (adesea 0.95) și factorul de putere măsurat la consumator. Corecția factorului de putere se face prin instalarea unor bănci de condensatoare, care prin energia lor reactivă pot să dea energia necesară magnetizării sarcinilor inductive. Cât puteți economisi prin instalarea condensatoarelor depinde de factorul de putere inițial, de nivelul la care ridicați factorul de putere, de puterea nominală a motoarelor și de încărcare, dar și de modul în care taxa de penalizare este calculată de către furnizorul de energie electrică. Trebuie analizat dacă costurile instalării și întreținerii în timp a dispozitivelor de corecție a PF, nu sunt cumva mai mari decât penalizarea continuă la facturare! Deoarece furnizorul de ener­gie nu poate controla factorii de putere la consumatorii mici (în birouri și casnici), în UE este obligatorie utilizarea surselor de alimentare cu PFC, dacă depășesc 75W.
Directiva EN61000-3-2 limitează și conținutul de armonice injectate în rețea de echipamente conectate la sistemul public. Corecția factorului de putere reduce curenții armonici prin conductoare și transformatoare până la locul de instalare a condensa­toa- ­relor. În funcție de locația lor, instalarea condensatoarelor poate crește PF și poate diminua scăderea de tensiune la utilizator, dar nu au loc economii semnificative de energie la utilizator. Practic, îmbună­tățind PF veți avea factura de consum mai mică prin micșorarea penalizării, dar ajută producătorul de energie electrică să fie eficient, scade consumul de combustibili, deci poluarea mediului.

Combustibilul consumat cuprinde cantitatea pentru menținere pe verticală (puterea reactivă) și cantitatea pentru porțiunea deplasării pe orizontală (puterea activă). Tot combustibilul trebuie plătit.

Factorul de putere și importanța lui.
Motoarele și alte echipamente inductive dintr-o instalație necesită două tipuri de putere electrică. Puterea de lucru este puterea reală, măsurată uzual cu kilowatt (kW). Dar echipamentele inductive necesită energie pentru a produce fluxul magnetic necesar funcționării. Unitatea de măsură a puterii asociată magnetizării, numită putere reactivă este kilovarul (kVAR, Kvar, kvar). Puterea de lucru (kW) și puterea reactivă (kVAR) formează împreună o putere aparentă, măsurată în kilovoltamperi (kVA). Majoritatea sistemelor alimentate în curent alternativ necesită atât kW (kilowați) cât și kVAR (kilovari). Factorul de putere (PF) pentru un circuit AC este raportul între puterea reală consumată (Watt) și puterea aparentă (măsurată în VA, calculată prin: Volt rms × Amp rms) și este un număr cuprins între 0 și 1. Capacitoarele (condensatoarele) instalate în apropierea sarcinilor inductive dintr-o instalație alimentată din rețea AC, sunt un mod economic și eficient de a furniza acești kVAR, compensând cererea de putere reactivă necesară funcționării sarcinilor inductive. Condensatoarele utilizate la corecția PF sunt în mod tradițional cu fiabilitate foarte ridicată, fără întreținere.Relația între KVAR și KW e o “sumă vectorială”: kVA² = kW² + kVAR², reprezentată printr-un triunghi.

Corecția factorului de putere se face furnizând prin condensatoare, energia reactivă (kVAR) necesară încărcărilor inductive. Folosind condensatoare, cererea totală kVA va fi redusă. Evident, unghiul Φ va scădea, iar factorul de putere este îmbunătățit, deci scade și plata puterii consumate în timp.

Triunghiul de putere electrică
O analogie simplistă ne arată importanța triunghiului de putere. O aeronavă care călătorește de la un aeroport la altul va consuma combustibil în funcție de greutate, rezistență la vânt etc. Triunghiul ne arată că se consumă combustibil în funcție de distanța parcursă, dar și în menținerea altitudinii. Combustibilul consumat pentru menținerea altitudinii reprezintă putere reactivă. Combustibilul consumat pentru deplasarea de la punctul de decolare la punctul de aterizare, este puterea activă, utilă.
Pe baza acestui exemplu, înțelegem triunghiul de putere în mod ingineresc. Consumatorii electrici, cum ar fi motoare, transformatoare, relee, surse de iluminare … tot ce conține o inductanță sau o bobină, necesită putere REACTIVĂ pentru a configura câmpul magnetic, în timp ce puterea ACTIVĂ produce lucrarea utilă. Puterea TOTALĂ este suma vectorială a celor două puteri și repre­zintă ceea ce plătiți, adică tariful pentru kVA.

Selectarea kVAR pentru motoarele cu 3 faze
Pentru a selecta adecvat cantitatea de kVAR necesară pentru corecția factorului de putere al unui motor trifazat, trebuie să aveți trei informații: • Puterea activă kW (kilowați) • Factorul de putere existent • Factorul de putere dorit.

Aveți disponibilă formula de calcul al capaci­toarelor la corecția factorului de putere: www.powerfactor.us/pfc-calc.html

Recomandări
Ce tip și unde se instalează condensatoare de corecție a factorului de putere
După o analiză atentă a avantajelor și dezavantajelor diverselor opțiuni de instalare expuse mai jos, trebuie să dimensionați și să plasați condensatoarele de corecție a factorului de putere. Corecția peste factorul de putere impus, trebuie evitată. Condensatoarele trebuie să fie conectate numai când sarcina necesită kVAR și deconectată atunci când sarcina este redusă. Evitați depășirea unei corecții a factorului de putere. Standardul NEMA MG1-2016 Partea 14 – pentru motoare și generatoare – oferă un avertisment: “În niciun caz nu ar trebui să se aplice condensatoare de îmbunătățire a factorului de putere în evaluări care depășesc valoarea maximă sigură specificată de producătorul motorului. Îmbunătățirea excesivă poate provoca excitații care generează tensiuni, curenți și momente tranzitorii, care pot spori pericolele de siguranță pentru personal și pot provoca deteriorarea motorului sau a echipamentului condus.”
Opțiunea 1 ▶ Montare direct, individual, la bornele motorului cu inducție, cu o singură turație (pe secundarul releului de suprasarcină).
Opțiunea 2 ▶ Montare între contactor și releul de suprasarcină.
Opțiunea 3 ▶ Se instalează între întreruptorul general din amonte și contactor.
Opțiunea 4 ▶ Instalare la magistrala principală de distribuție a puterii.

Aplicații speciale. Condensatoare de corecție a factorului de putere pentru motoarele cu tensiune redusă și motoarele cu mai multe viteze.
Există variante de conectare a condensatoarelor pentru circuitele de pornire tipice la motoarele cu tensiune redusă și motoarele cu mai multe turații. Documentați-vă referitor la schema pe care o aveți în aplicație. Condensatoarele trebuie conectate pe partea de sarcină a contactelor principale ale contactorului (spre motor) ce trebuie închise pentru start și rotire continuă a motorului. Nerespectarea acestui lucru poate duce la deteriorarea motorului.

• www.capacitorconverters.com/power-factor-correction-capacitors/kvar-application-guide/capacitor-connection-diagrams

Seria B44066S*J230, Contactoare de comutare fină a capacitoarelor, 3-faze, 690V, 50Hz în Sisteme fără reactoare.

Luați în considerare armonicile la utilizarea condensatoarelor de corecție a factorului de putere.
Ce sunt armonicile? Distorsiunea unei unde sinusoidale este în general definită prin diferite componente, zise armonice, adică simplu spus: semnalul este un amestec de unde, în care armonicile sunt undele a căror frecvență este un multiplu întreg al frecvenței sistemului de bază. Armonicile tipice pentru un sistem de 50Hz (frecvență fundamentală) sunt: 3 (150Hz), 5 (250Hz), 7 (350Hz), 9 (450Hz). Armonicile sunt asociate cu tensiunea și curentul într-un sistem de energie electrică, și apar datorită consu­ma­torilor electrici neliniari. De ex. sursele de alimentare cu comutare, fără corecția factorului de putere (PFC), absorb din rețeaua AC (cu tensiunea sinusoidală) pulsuri sau vârfuri mari de curent datorită unghiului mic de conducție în etajul de intrare ce realizează redresarea. Armonicile în sistemele de putere duc la încălzirea crescută a dispozitivelor și a firelor conductoare, întreruperi rapide a mișcărilor dispozitivelor cu viteză variabilă și pulsații de cuplu în motoare. Reducerea armonicilor este considerată o cerință de dorit.

• www.powerqualityworld.com/2011/07/harmonics-power-quality-basics.html
• www.industry.usa.siemens.com/drives/us/en/electric-drives/ac-drives/Documents/DRV-WP-drive_harmonics_in_power_systems.pdf

Deși condensatoarele nu generează armonici, în anumite condiții pot amplifica armonicile existente.
Armonicile sunt generate atunci când se cuplează sarcini neliniare: unități de viteză reglabile, controle­re programabile, cuptoare de inducție, calculatoare (PC) având surse cu comutare și surse de alimentare neîntreruptibile.
Condensatoarele pot fi utilizate cu succes la sarcini neliniare atunci când sunt evitate condițiile de rezonanță armonică. Pentru a minimiza apariția rezonanței armonice, trebuie estimată armonica rezonantă a sistemului, inclusiv pentru condensator. Frecvența rezonantă poate fi calculată astfel:
h= (kVAsc / kVAR)^1/2, unde: h = armonica calculată, kVAsc = puterea de scurtcircuit a sistemului, kVAR = puterea reactivă a condensatorului
Valorile armonicilor 5, 7, 11 și 13 ar trebui evitate, deoarece corespund armonicilor caracteristice încărcărilor neliniare. Valoarea armonicii a 3-a ar trebui de asemenea evitată, deoarece coincide cu armonicile produse în timpul energizării transformatorului și/sau funcționării transformatorului peste tensiunea nominală. După identificare, armonicile rezonante pot fi evitate:

1. Schimbați kVAR-ul aplicat pentru a evita armonicile nedorite. Deși este cel mai puțin costisitor mod de a evita armonicile rezonante, nu e întotdeauna reușit, deoarece o porțiune din kVAR aplicată, este pornită și oprită datorită condițiilor de încărcare variabile, dar necesare. Calculul armoni­celor sistemului trebuie repetat pentru fiecare nivel de compensare.

TDK: Seria B44066D***, Reactor filtru anti-rezonanță, 3- faze, 5 kVAr la 100 kVAr. Reactoarele neacordate sunt utilizate cu bănci de condensatoare de șunt pentru a preveni rezonanța armonică și supraîncărcarea armonică. Liniaritate ridicată, pierderi reduse și dimensiuni compacte. Protecție la temperatură (contact NC).

2. Adăugați filtre pentru armonice. Distorsiunea de tensiune este, în general, foarte dăunătoare deoarece poate crește valoarea maximă efectivă cât și curentul RMS în unele dispozitive conectate la rețea. Pentru a filtra armonicile într-un anumit loc, se folosesc filtre armonice acordate. Un condensator e conectat în serie cu un inductor astfel încât frecvența rezonantă a filtrului să fie egală cu armonica ce trebuie eliminată. Curenții ce se așteaptă să curgă prin filtru sunt dificil de prezis și sunt o funcție complexă a sistemului și depind de sarcină (constantă, variabilă, ocazională).
Trebuie depistat responsabilul de apariția armonicelor în sistem. (1) Consumatorul neliniar sau (2) Părțile electrice de alimentare, precum și nivelul de toleranță a distorsiunilor.
Există diferite tipuri de filtre:
• Filtru acordat pe o singură armonică (tuned harmonic filter).
• Filtru trece–jos (low pass) cu frecvența de tăiere deasupra frecvenței fundamentale.
Un condensator cu reactanță în serie poate fi ales să se potrivească cu o armonică dată. Oferă o cale paralelă cu impedanță aproape zero și absoarbe o anumită armonică. La frecvența fundamentală, ajută și la corecția factorului de putere. Astfel, un condensator de corecție PF poate deveni un filtru. Rețineți! O bancă de condensatoare, poate crește costul instalării din cauza altor piese suplimentare: întrerupătoare de siguranță și a unor reactoare (reactanțe de protecție la scurtcircuit, adică descărcare cu limitare de curent).
Curenții armonici sunt împiedicați să curgă în sistemul de putere prin (1) utilizarea unei impedanțe în serie, cu valoare ridicată, pentru a-i bloca sau (2) direcționare prin intermediul unei căi în paralel, prin șuntare cu impedanță redusă. Filtrele serie ar trebui proiectate pentru a permite curentul de sarcină maxi­mă și ar trebui izolate la o tensiune maximă a sistemului. Filtrele de șunt sunt mai puțin costisitoare și oferă o compensare reactivă la o frecvență fundamen­tală. Deci, este preferabil să se folosească filtre de șuntare.
3. Adăugați inductoare de blocare. Inductoarele adăugate la liniile care alimentează condensatorul pot fi dimensionate pentru a bloca un curent mai mare decât curentul dat de a 4-a armonică. Această metodă protejează condensatorul față de armonici, dar nu elimină armonicile din sistem. Este necesar un studiu de sistem pentru a determina evaluările corecte pentru condensator și inductoare.

TDK: Componente pentru PFC și Filtrare armonicilor
Componentele pentru corecția factorului de putere reduc costurile energiei prin eliminarea puterii reactive și a armonicilor de la liniile electrice.

Componente pasive
Condensatoare (Capacitoare) pentru corecția PF, 1-fază, 3-faze, durată de viață nelimitată în utilizare (8 Serii/Tipuri).

Componente cheie
• Controlere inteligente pentru corecția PF cu ieșiri pe relee, tranzistoare și serial RS485 (8 tipuri de controlere, având structuri și complexități diferite). Serie/Tip: BR6000, BR7000, BR604. și Accesorii: (1) Data logger pentru controler PF. Serie/Tip: DataLogSD, (2) Modul de înregistrare și evaluare a impulsurilor pentru trimitere prin RS485 la un controler PF – protocol MODBUS-RTU.
Suport pentru MMI6000, MMI7000, BR6000, BR7000. Serie/Tip: UCM-5 (3) Adaptor: Terminale – RJ45. Serie/Tip: B44066. (4) Touch panel pentru cuplare inteligentă la controlere PF serial prin MODBUS. Serie/Tip: B44066. (5) Convertor USB – RS485. Serie/Tip: B44066.
• Dispozitive de măsurare: (1) Interfață de măsurare a numeroși parametri specifici (tensiune, curent, puteri – totală, reală, reactivă, armonici ș.a.) din rețea 3-faze, comunică serial prin MODBUS-RTU. Serie/Tip: MMI8003. (2) Interfață de măsurare a numeroși parametri specifici în rețea cu 3-faze, comunică serial prin MODBUS RTU, afișează local pe display grafic LCD iluminat, ieșire 4 relee. Serie/Tip: MMI7000-V4.
• Contactoare pentru capacitoare: comutare fină a condensatoarelor la sarcini inductive, pentru protejarea condensatoarelor prin amortizarea curentului de încărcare. Modele diverse corelate cu puterea comutată pe condensator (până 100 KVAR, în sisteme fără reactoare), tensiune AC și curent AC. Serie/Tip: B44066S****J110/J230.
• Module cu tiristoare pentru comutare elec­tronică a sarcinilor capacitive în procese rapide din sisteme de compensare dinamică a PFC. Serie/Tip: TSM-LC. Accesorii: (1) Reactor de limitare a creșterii curentului dI/dt în tiristoare Serie/Tip: BD-050/BD-100/BD-200. (2) Rezistor de descărcare a condensatoarelor în sisteme dinamice PFC.
Serie/Tip: EW-22. (3) Modul de alimentare în rețea 24VDC/max.4A pentru 10 module cu tiristoare. Serie/Tip: ESP-24.
• Reactoare: (1) reactanțe de descărcare rapidă pentru reconectarea condensatoarelor PFC). Serie/Tip: B44066E. (2) Reactor filtru armonic Serie/Tip: B44066D***M***.
• Filtre active pentru eliminare armonice și Optimi­zator de putere: Elimină armonice până la cea de-a 50-a armonică și compensează ultrarapid puterea reactivă (inductivă și capacitivă), comunică prin Ethernet și MODBUS. Seria PQSine™ S.

ECAS Electro este distribuitor auto­rizat al produselor TDK care are un portofoliu ce include componente pasive, cum ar fi condensatoare din ceramică, electrolitice și din aluminiu, ferite și inductoare, produse de înaltă frecvență și componente piezoelectrice și de protecție, precum și senzori și sisteme de senzori și surse de alimentare. Aceste produse sunt comer­ciali­zate sub mărcile de produse TDK, EPCOS, Inven­Sense, Micronas, Tronics și TDK-Lambda.

Constantin Savu
Director General
Ecas Electro

Detalii tehnice și comerciale: birou.vanzari@ecas.ro
Detalii tehnice: ing. Emil Floroiu | emil.floroiu@ecas.ro

ECAS Electro | www.ecas.ro