Numărul de consumatori de tip sarcini neliniare, e din ce în ce mai mare, introducând distorsiuni armonice în rețeaua electrică AC și afectând astfel în mod semnificativ calitatea energiei. TDK oferă o gamă largă de produse care asigură controlul factorului de putere (PF) și reduc semnificativ armonicele și perturbațiile în dispozitive și sisteme. Factorul de putere este raportul dintre puterea activă și puterea aparentă. Puterea furnizată de rețeaua AC se măsoară ca putere aparentă (kVA). Puterea aparentă este formată din putere activă (kW) și putere reactivă (kVAR). Puterea activă în timp oferă energie pentru mișcare, căldură, lumină. Puterea reactivă (inductivă) e utilizată pentru a crea câmpuri magnetice în diverse echipamente ce conțin bobine. PFC – factorul de putere = Puterea activă (kW) / Puterea aparentă (kVA). Scopul corecției factorului de putere este scăderea puterii reactive, pentru ca puterea aparentă să fie cât mai aproape de puterea reală consumată din rețea, adică PFC să tindă la 1. Corecția factorului de putere se face prin instalarea unor bănci de condensatoare, care prin energia lor reactivă trebuie să dea energia necesară magnetizării sarcinilor inductive. PFC reduce curenții armonici prin conductoare și transformatoare până la locul de instalare a condensatoarelor. În funcție de locația lor, prin instalarea condensatoarelor se crește PF.
Articolul dezvoltă ideile prezentate într-un articol anterior: https://electronica-azi.ro/2018/04/03/corectia-factorului-de-putere
Metode de îmbunătățire a calității puterii electrice și reducerea armonicelor.
Corecția factorului de putere – PFC și simultan diminuarea armonicelor, se poate face esențial în două feluri: 1. PFC static: individual (produce putere kVAR continuu, dar cere multe condensatoare, deci e scumpă); grupat (reduce costurile și pierderile pe fire); centralizat (cea mai bună utilizare a condensatoarelor, ușor de supervizat și de comutat automat). 2. PFC dinamic: control în timp real pentru motoare cu viteză variabilă, comutare fină a condensatoarelor, fără curenți mari la pornire, crește durata de viață a condensatoarelor). Filtrarea armonicelor: neacordată sau acordată la frecvențele armonicelor; cu filtre pasive sau active.
TDK: Seria K3 Capacitor Contactor
TDK: Seria PoleCap, Capacitoare PFC.
Se folosesc 2 moduri de conectare a condensatoarelor PFC: (1) fixă și (2) automată. Dacă conectarea este automată, în limbaj tehnic se folosește exprimarea: condensatoare automate sau condensatoare comutate. Condensatoarele automate variază cantitatea de putere de corecție reactivă (kVAR) furnizată la un sistem electric, în timp ce condensatoarele fixe furnizează o cantitate constantă de corecție (kVAR). Condensatoarele automate sunt realizate din bănci de condensatoare care sunt oprite și pornite de un controler PF cu microprocesor, corelat cu consumatorii electrici la un moment dat. Condensatoarele automate sunt instalate centralizat, la sursa principală de alimentare, în timp ce condensatoarele fixe sunt instalate în general la sarcini individuale ale motoarelor în întreaga instalație.
Ce tip de condensatoare alegem pentru PFC și unde se instalează.
Opțiunea 1 – Condensator montat individual, direct la bornele motorului cu inducție, cu o singură turație (pe secundarul releului de suprasarcină).
Avantaje:
• Poate fi pornit sau oprit cu motoarele, eliminând necesitatea unor dispozitive separate de comutare sau a unei protecții la supracurent.
E alimentat numai când motorul funcționează.
• Deoarece kVAR este localizat acolo unde este necesar, pierderile de linie și căderile de tensiune sunt reduse la minimum; în timp ce eficiența sistemului e maximizată.
Pentru mai multe informații, vedeți ghidul de selecție: http://www.capacitorconverters.com/power-factor-correction-capacitors/power-factor-faq
TDK: Controlul PF, inteligent și optimizat. Controlere EPCOS Seria 6000.
Dezavantaje:
• Costurile de instalare sunt mai mari atunci când un număr mare de motoare individuale necesită corecție.
• Setările releului de suprasarcină trebuie să fie modificate pentru a ține seama de solicitarea unui curent mai mic de motor.
Montare: aproape de motor.
TDK: Controlul PF, inteligent și optimizat. Controlere EPCOS Seria 7000.
Opțiunea 2 – Condensator montat individual, între contactor și releul de suprasarcină. În acest mod, releul de suprasarcină poate fi setat pentru curentul de încărcare maximă al motorului. Altfel, la fel ca opțiunea 1.
Montare: aproape de motor.
Opțiunea 3 – Condensatoare instalate grupat, între întreruptorul general din amonte și contactor.
Avantaje:
• Bănci de condensatoare mai mari și mai rentabile pot fi instalate pe măsură ce furnizează kVAR mai multor motoare. Se recomandă pentru motoare de acționare, motoare cu viteze variabile și aplicații de mers înapoi.
Dezavantaje:
• Dacă condensatoarele nu sunt comutate simultan cu motoarele, supra-corecția poate să apară dacă nu funcționează toate motoarele.
• Deoarece curentul reactiv trebuie să fie purtat pe o distanță mai mare, există pierderi mai mari de linie și pierderi de tensiune mai mari.
Montare: Bănci mari de kVAR fix, cu siguranțe comutatoare pe fiecare fază sau dispozitive de comutare automată.
TDK: Seria PhaseCap, Capacitor PFC
TDK: Seria TSM- LC
Opțiunea 4 – Condensatoare instalate centralizat, la magistrala principală de distribuție a puterii.
Avantaje: • Cost redus de instalare, deoarece se instalează mai puține bănci, în blocuri kVAR mari.
Dezavantaje:
• Supra-corecția poate apărea în condiții de încărcare ușoară.
• Este necesar un comutator separat de deconectare și protecție la supracurent.
Montare: Bănci mari de kVAR fixe cu circuite de siguranță pe fiecare fază sau dispozitive de protecție și comutare automată a băncilor.
Alte detalii despre armonice. Cauze și efecte.
Armonicele sunt componentele sinusoidale din conținutul unui flux de energie electrică (caracterizat prin tensiune, curent, frecvență), dar ale căror frecvențe sunt un multiplu întreg al frecvenței sistemului de bază. Armonicile tipice pentru un sistem de 50Hz (frecvență fundamentală) sunt: a 3-a (150Hz), a 5-a (250Hz), a 7-a (350Hz), a 9-a (450Hz). Frecvențele armonice în rețeaua electrică afectează negativ calitatea energiei electrice. Un semnal electric care ar trebui să fie sinusoidal, ajunge distorsionat. Pe măsură ce crește frecvența (pornind de la 350 Hz) curentul are tendința de a mări circulația pe suprafața conductorilor (skin effect). În aceste condiții, conductoarele oferă o secțiune mai mică la fluxul curent, iar pierderile prin efectul Joule cresc.
Efectele armonicelor – distorsiunilor – asupra diferitelor componente
1. Transformatoare. Armonicele în transformatoare determină o creștere a pierderilor din miezul de fier și bobinajul din cupru. Distorsiunea formei de undă sinusoidală a tensiunii crește pierderile datorate histerezisului și curenților turbionari și duce la suprasolicitarea materialului izolant. Primul efectul al armonicilor pe linia electrică AC în transformator este căldura suplimentară generată.
Alte probleme includ rezonanța posibilă între inductanța transformatorului și capacitatea sistemului, oboseala termică datorată ciclului de temperatură și posibilele vibrații ale miezului, care generează un zgomot audibil, supărător.
2. Motoare și generatoare. Tensiunea și curentul armonic (ne-sinusoidale) provoacă o încălzire crescută în mașinile rotative din cauza pierderilor suplimentare în fier și cupru la frecvențe armonice. Acest lucru scade eficiența mașinilor rotative și afectează cuplul mecanic dezvoltat pentru utilitate. Fluxul de curenți armonici în stator induce un flux de curent nedorit în rotor. În plus, pe lângă încălzirea rotorului, cuplul e pulsator sau redus ca putere mecanică. Se reduce eficiența și durata de viață a mașinilor, în timp ce cuplul pulsator sau redus au ca rezultat o oscilație mecanică ce determină degradarea prematură a părților mecanice.
Reprezentarea grafică a armonicelor.
3. Ansambluri de comandă a puterii cu tiristoare. Dacă frecvența AC e variabilă (armonicele având frecvență mai mare decât cea fundamentală) la comanda unui convertizor cu tiristoare, atunci când funcționează la viteză mică, are ca rezultat, în general, un factor de putere scăzut.
4. Cablul de alimentare. Nivelul normal al curenților armonici provoacă încălzirea cablurilor. Astfel, cablurile utilizate în condiții de rezonanță a sistemului pot fi supuse la valori de curenți mai mari decât cele nominale, se stresează materialul izolator și apar chiar descărcări electrice ce pot depăși tensiunea maximă de izolație, ducând la o străpungerea și degradarea izolației.
5. Echipamente de măsurare. În general, curenții armonici care curg prin firele din echipamentul de măsurare, prin inducție vor genera căi suplimentare de cuplare, provocând erori de măsurare.
6. Dispozitive de comutație și relee. Curenții armonici cresc încălzirea și pierderile în instalațiile de distribuție prin scăderea capabilității de a conduce curenții utili (un fir conductiv, încălzit are rezistența mai mare) și scurtează durata de viață a siguranțelor de tensiune care stau tot timpul la temperatură ridicată datorită căldurii generate de armonici.
7. Sistem trifazic. Într-un sistem trifazat sunt 3 fire denumite Faze (L- Line) și un fir zis neutru (N- Neutral). Dacă sistemul trifazat e simetric și echilibrat față de Neutru, formele de undă dintre Faze sunt deplasate printr-un unghi de fază de 120°, astfel încât, atunci când Fazele sunt încărcate în mod egal, curentul în firul Neutru este zero. Prezența încărcărilor neechilibrate (fază-fază, fază-neutru) permite curgerea unui curent neechilibrat în Neutru, iar secțiunea mică a conductorului neutru nu face față curentului și se încălzește. Dacă apar curenți armonici, prin conductorul Neutru va curge o sumă de curenți, deci un curent mai mare, producând pierderi de energie prin încălzire.
Detalii: www.fluke.com/fluke/uses/comunidad/fluke-news-plus/articlecategories/electrical/electrical_panel_overheating
8. Rețea de comunicații. Cuplajul prin inducție între liniile de curent alternativ care conțin armonici și rețeaua de comunicație învecinată vor provoca niveluri ridicate de perturbații în liniile de comunicație.
9. Capacitor. Condensatoarele pentru PFC sunt întotdeauna prezente în instalațiile industriale și sunt afectate cel mai grav dacă există armonice. Condensatoarele nu generează armonice, ci furnizează o buclă de rețea pentru o posibilă rezonanță. Ajustarea mărimii condensatorului e necesară pentru a evita valorile armonice. Reactanța capacitivă scade cu frecvența, în timp ce reactanța inductivă crește direct cu frecvența. La frecvența rezonantă a oricărui circuit LC, reactanța inductivă va fi egală cu reactanța capacitivă. Într-un sistem electric efectiv care utilizează condensator PFC, se pot produce atât rezonanța serie, cât și paralel și chiar o combinație a celor două. În cazul unui circuit serie, impedanța totală la frecvența rezonantă se reduce doar la componenta rezistivă a sistemului.
Datorită sarcinilor neliniare, curentul nu urmărește forma sinusoidală a tensiunii, rezultând armonice nedorite și distorsiuni.
Dacă această componentă rezistivă este mică, curentul crește la nivel mare, la frecvența rezonantă. În cazul unui circuit paralel, la frecvența rezonantă (chiar frecvența mică), un curent mare va curge între condensatorul paralel și inductor. Tensiunea din combinația paralelă ar putea fi destul de ridicată. În consecință, dacă punctul rezonant al fiecăruia dintre aceste tipuri de circuite se apropie de una dintre frecvențele generate de sursele armonice din sistem, rezultatul poate fi creșterea excesivă de curent armonic și / sau apariția unor excese de tensiune armonică. Astfel, pot apare probleme serioase: defecțiuni în bancul de condensatoare; funcționarea la temperatură excesiv de mare a condensatoarelor și degradarea dielectrică a cablurilor izolate.
În majoritatea instalațiilor de joasă tensiune, sarcina neliniară poate genera armonice (sarcini neliniare: motoare cu viteză reglabilă, controlere programabile cu ieșiri pe relee, cuptoare de inducție, dispozitive electronice cu surse în comutație și surse de alimentare neîntreruptibile, aparate de sudură), dar în funcție de puterea sarcinii, se pot aplica următoarele 3 reguli practice:
TDK: Filtre active pentru eliminare armonice și Optimizator de putere. Seria PQSine™S
1. Putere sarcină (kVA) < 10% Putere transformator (kVA), condensatoarele PFC pot fi instalate fără grija rezonanței.
2. Putere sarcină (kVA) < 30% Putere transformator (kVA), și Putere reactivă condensatoare (kVAR) < 20% Putere transformator (kVA), condensatoare PFC pot fi instalate fără grija rezonanței.
3. Putere sarcină (kVA) > 30% Putere transformator (kVA), pe lângă condensatoare PFC, ar trebui să fie aplicate și filtre.
Regulile sunt aplicabile când impedanța sistemului consumator de energie electrică este mai mică de 1% din impedanța transformatorului.
TDK: Filtru 3-faze cu ieșire sinusoidală.
Filtre pentru armonice
Pentru funcționarea sănătoasă a sistemului energetic, trebuie verificat ce parte produce distorsiuni și la ce niveluri: acceptabile / neacceptabile. Armonicele pot apare datorită sarcinii (consumatori neliniari ce nu solicită putere constant) dar și datorită părților de comandă a alimentării cu putere (dispozitive ce comandă livrare de putere în secvențe, de ex. pentru ascensoare, macarale, aparate de sudură, cuptoare).
Se pot folosi filtre pasive sau filtre active. Filtrele pasive au complexitate mică, cost redus și nu necesită întreținere, comparativ cu cele active. Filtrele pasive pot fi de tip serie sau paralel (șunt). Ele au la bază principii simple.
O impedanță ridicată, în serie pe liniile de alimentare poate bloca armonice (bobine de șoc). O impedanță redusă, în paralel cu sarcina poate direcționa (șunta) energia armonicelor către nivelul comun – pământ (condensatoare de filtrare). Filtrele se pot proiecta în funcție de aplicație sau se pot selecta de la un furnizor consacrat: Filtrele trebuie să permită curentul maxim cerut de sarcină și să aibă izolație bună la tensiunea maximă din sistem. Filtrele pasive au o structură hibridă, fiind o combinație serie de bobine și condensatoare șunt.
Link-uri utile:
https://en.tdk.eu/tdk-en/530116/products/product-catalog/emc-components/power-line-emc-filters–epcos-
https://hvdc.ca/webhelp/Master_Library_Models/Passive/Filters/Passive_Filter_Design.htm
https://en.tdk.eu/tdk-en/373562/tech-library/articles/applications—cases/applications—cases/improved-power-quality-and-reduced-harmonics-/1271246
TDK: Bobine șoc folosite ca filtre serie.
TDK: Componente pasive PFC
Condensatoare pentru corecția PF în rețele de alimentare: 1-fază, 3-faze cu durată de viață nelimitată în utilizare. 8 Serii/Tipuri:
PhaseCap® Energy, Condensatoare de energie, 3-faze • Deconectare la suprapresiune pentru cele 3 faze • Modul ceramic rezistiv de descărcare • Tensiune: 230 – 690 VAC. Serie/Tip: MKK
PhaseCap® Premium, Condensatoare Premium: 1-fază, 3-faze • Modul ceramic de descărcare •Tensiune: 230 – 800VAC. Serie/Tip: MKK
PhaseCap® Compact, Condensatoare Compacte: 3-faze • Conectare delta • Deconectare la suprapresiune • Modul ceramic de descărcare •Tensiune: 230 – 1000 VAC. Serie/Tip: MKK
PhaseCap® HD, Condensatoare HD: 3-faze • Conectare delta • Rezistoare de descărcare incluse • Sistem triplu de siguranță •Tensiune: 230 – 525VAC. Serie/Tip: MKK
DeltaCap™, Condensatoare : 1-fază, 3-faze • Varianta 3-faze, conectare delta • Rezistoare de descărcare incluse • Sistem dublu de siguranță: deconectare la suprapresiune și auto-revenire •Tensiune: 230 – 525VAC. Serie/Tip: MKD
PhiCap™, Condensatoare: 1-fază, 3-faze • Varianta 3-faze, conectare delta • Sistem de siguranță dublă: deconectare la suprapresiune și auto-revenire • Modul ceramic de descărcare •Tensiune: 220 – 525VAC. Serie/Tip: MKP
PoleCap, Condensatoare: 3-faze • Conectare delta • Sistem triplu de siguranță • Modul ceramic de descărcare •Tensiune: 400 – 525VAC. Serie/Tip: MKK, MKP
HomeCap, Condensatoare corecție PF rezidențial • Izolate intern, nu cer împământare • Proprietăți de auto-revenire • Factor de disipare scăzut • Deconectare la suprapresiune • Rezistență de izolație ridicată • Capac din plastic și cablu izolat, protecție IP53 •Tensiune: 400VAC. Serie/Tip: MKP
TDK: Componente cheie PFC – Power Quality Solutions
• Controlere inteligente pentru corecția PF. Serie/Tip: BR6000, BR7000, BR604. Accesorii: (1) Data logger. Serie/Tip: DataLogSD, (2) Modul înregistrator impulsuri. Serie/Tip: UCM-5 (3) Adaptor: Terminale – RJ45. Serie/Tip: B44066. (4) Panou tactil pentru controlere PF MODBUS. Serie/Tip: B44066. (5) Convertor USB – RS485. Serie/Tip: B44066.
• Dispozitive de măsurare: (1) Interfață de măsurare (tensiune, curent, puteri, armonici, ș.a.) pe 3-faze, MODBUS-RTU. Serie/Tip: MMI8003. (2) Interfață de măsurare 3-faze, MODBUS, display grafic LCD, ieșiri 4 relee. Serie/Tip: MMI7000-V4.
• Contactoare pentru capacitoare: comutare fină condensatoare. Serie/Tip: B44066S****J110/J230.
• Module cu tiristoare comutare sarcini capacitive în compensare dinamică a PFC. Serie/Tip: TSM-LC. Accesorii: (1) Reactor limitare dI/dt în tiristoare
Serie/Tip: BD-050/BD-100/BD-200. (2) Rezistor descărcare condensatoar în sisteme dinamice PFC. Serie/Tip: EW-22. (3) Modul de alimentare 24VDC/max.4A pentru 10 module cu tiristoare. Serie/Tip: ESP-24.
• Reactoare: (1) reactanțe descărcare pentru reconectare condensatoare PFC. Serie/Tip: B44066E. (2) Reactor și filtru armonic Serie/Tip: B44066D***M***.
• Filtre active pentru eliminare armonice și Optimizator de putere: Seria PQSine™ S.
Detalii: https://en.tdk.eu/tdk-en/530376/products/product-catalog/components-for-power-factor-correction-and-harmonic-filtering/application-notes/526796
TDK este un producător vast de componente electronice, lider în lume în tehnologia magnetică.
TDK are un portofoliu larg de componente pasive, cum ar fi condensatoare ceramice, 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. Alte grupuri principale de produse ale TDK includ produse de aplicație magnetică, dispozitive energetice și dispozitive de memorie flash.
TDK se concentrează pe piețele exigente din domeniul tehnologiei informației și comunicațiilor, electronică pentru domeniile auto, industriale și de consum.
Nota 1.
Dimensionarea condensatoarelor PFC, etape:
1. Calculați puterea activă și reactivă
2. Calculați mărimea condensatoarelor pentru PFC
3. Calculați economisirea anuală prin implementare soluției:
• Modul de conectare a condensatoarelor
• Ore de lucru zilnice
• Încărcarea Tarifului / KVA
• Încărcarea Tarifului / KW
• Costul condensatorului / KVA
• Întreținere anuală și depreciere / condensator
Decideți dacă este mai economică utilizarea condensatoarelor PFC sau plata de penalizare impusă prin calcularea taxelor de consum pe kilovolt-amperi (kVA) în loc de kilowați măsurați (kW).
Nota 2.
Atenție! Descărcați și apoi scurtcircuitați condensatorul înainte de manipulare!
Condensatoarele să fie descărcate până la maximum 10% din tensiunea nominală înainte de a fi din nou conectate. Acest lucru împiedică descărcarea impulsului electric în aplicație, influențează durata de viață a condensatorului și protejează împotriva șocurilor electrice. Condensatorul trebuie descărcat la mai puțin 75V, în 3 minute. Nu trebuie să existe nici un întrerupător, siguranțe sau alte dispozitive de deconectare în circuitul dintre condensatorul de putere și dispozitivul de descărcare. Unele condensatoare (ex. seria PhaseCap) au un modul ceramic de descărcare în secțiunea intermediară a terminalului. Pentru tensiuni mari / sarcini mari e montat un modul de descărcare din plastic, pe o parte a terminalului. Reactoarele de descărcare sunt în oferta TDK.
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
Detalii tehnice: Ing. Emil Floroiu | emil.floroiu@ecas.ro