A

22Alimentarea cu energie electric a ntreprinderilor

21Optimizarea circulaiei puterii reactive n reelele electrice. mbuntirea factorului de putere

7. OPTIMIZAREA CIRCULAIEI PUTERII REACTIVE N REELELE ELECTRICE. MBUNTIREA FACTORULUI DE PUTERE

7.1. CIRCULAIA PUTERII REACTIVE N SISTEMUL ELECTROENERGETIC. FACTORUL DE PUTERE

n orice reea de curent alternativ care conine pe lng elemente active (rezistene) i elemente reactive (inductane i capaciti), simultan cu circulaia de putere activ are loc i o circulaie de putere reactiv.

Expresiile puterilor activ i reactiv, n curent alternativ trifazat, vehiculate n reea sunt:

;

,

(7.1)

unde U este tensiunea reelei (tensiunea de linie);

I curentul de sarcin;

( unghiul de defazaj dintre tensiune i curent care poate fi pozitiv sau negativ.

Un receptor de energie electric are, de regul, un caracter inductiv, curentul de sarcin fiind defazat n urma tensiunii. n acest caz se consider, convenional, c unghiul de defazaj este pozitiv, puterea reactiv rezult pozitiv, iar receptorul absoarbe putere reactiv.

n cazul receptoarelor capacitive curentul absorbit este defazat naintea tensiunii, unghiul de defazaj se consider negativ, puterea reactiv rezult negativ, iar receptoarele respective sunt considerate, convenional, surse de putere reactiv.

Relaia dintre puterile activ i reactiv poate fi caracterizat de factorul de putere, care n curent alternativ sinusoidal, este egal cu cosinusul unghiului de defazaj dintre tensiune i curent, exprimat prin relaia:

.

(7.2)

n regim nesinusoidal factorul de putere se exprim prin acelai raport dar nu mai are aceeai semnificaie.

.

(7.3)

Expresia (7.2) definete factorul de putere instantaneu obinut, prin msurarea simultan a puterilor activ i reactiv.

Avnd n vedere c sarcina unui consumator, de regul, este variabil n timp se definete un factor de putere mediu pe o anumit perioad de timp, pe baza consumului de energie electric activ Wa i energie electric reactiv Wr,

,

(7.4)

care servete la aprecierea caracterului receptoarelor consumatorului, precum i la tarifarea energiei electrice consumate.

Factorul de putere este de dou feluri:

natural, cnd el este determinat nelunduse n considerare instalaiile de producere local a energiei reactive;

mbuntit, cnd se determin cu luarea n considerare i a energiei reactive produs local.Se numete factor de putere neutral, factorul de putere mediu pentru care nu se tarifeaz energia reactiv consumat. Valoarea sa, n reelele de joas tensiune este stabilit, prin normele din ara noastr, la 0,92.

Factorul de putere servete ca msur a puterii reactive transportate n reea (diferena dintre puterea absorbit i cea produs local) n raport cu puterea activ cerut de consumatori. n felul acesta reducerea consumului i circulaiei de putere reactiv este, n general, echivalent cu mbuntirea factorului de putere.

n ultimul timp se manifest tendina de a aprecia ponderea puterii reactive consumate prin raportul:

,

(7.5)

denumit factorul puterii reactive care reflect mai bine dinamica variaiei puterii reactive n raport cu puterea activ.

Pentru un unghi de defazaj cuprins ntre 0 i (/4 (cazul cel mai frecvent ntlnit n practic) cos( variaz ntre 1 i 0,707, pe cnd tg( are o plaj de variaie mult mai mare, cuprins ntre 0 i 1, i mai uniform.

Funcionarea majoritii receptoarelor electrice implic consumarea din reea nu numai de putere activ ci i de putere reactiv. Sarcina reactiv a unui sistem electroenergetic se compune din sarcina inductiv a consumatorilor, care n medie este de 0,75 var/W i din pierderile de putere reactiv n instalaiile de transport i distribuie, de circa 0,25 var/W. Rezult, deci, c necesarul de putere reactiv ntrun sistem electroenergetic, numeric, este aproximativ egal cu cel de putere activ, cruia i corespunde un factor de putere natural de 0,7-0,75.

n cazul sistemelor electroenergetice slab dezvoltate sursa principal de energie reactiv o constituie generatoarele din centralele electrice.

Odat cu dezvoltarea sistemelor electroenergetice, cu creterea lungimii i tensiunii liniilor electrice, scade valoarea puterii reactive economic transportabil prin linii i deci ponderea generatoarelor n balana puterilor reactive n favoarea altor surse de putere reactiv, cum ar fi compensatoarele sincrone i condensatoarele electrice.

n balana puterilor reactive este necesar a considera i aportul de putere reactiv al linilor electrice (130 var/km n cazul linilor electrice aeriene cu tensiunea de 400 kV).

7.1.1. CONSECINELE DEFAVORABILE ALE CIRCULAIEI DE PUTERE REACTIV N SISTEMUL ELECTROENERGETIC

Tranzitarea unor puteri reactive importante prin elementele reelei electrice, de la surse la consumatori, conduce la nrutirea indicatorilor tehnico - economici, dintre care cel mai important este factorul de putere, avnd o serie de consecine defavorabile:

10 Creterea pierderilor de putere activ.

n cazul transportului puterilor activ i reactiv pierderile de putere activ au urmtoarea structur:

.

(7.6)

Componenta (Pr , care reprezint pierderile de putere activ datorit tranzitrii puterii reactive, este proporional cu rezistena electric a elementului de reea i cu ptratul puterii reactive i poate reprezenta ntre 5 i 40% din totalul pierderilor de putere activ.

20 Creterea pierderilor de tensiune

Aa cum s-a artat, pierderea de tensiune are expresia:

.

(7.7)

Pierderea de tensiune, datorit puterii reactive tranzitate (Ur, este direct proporional cu reactana X a elementului de reea i cu puterea reactiv Q,

30 Diminuarea capacitii de transport a reelei

ntruct, din considerente de nclzire, mrimea caracteristic a generatoarelor, transformatoarelor i linilor de transport i distribuie este puterea aparent, circulaia puterii reactive duce la diminuarea ncrcrii cu putere activ.

.

(7.8)

40 Creterea nclzirii cilor de curent ale elementelor reelei electrice

Circulaia puterii reactive, pe lng a celei active, duce la creterea curentului electric i n consecin a nclzirii cilor de curent.

.

(7.9)

7.2. SURSE DE PUTERE REACTIV

7.2.1. GENERATOARE SINCRONEPosibilitatea de furnizare a puterii reactive de ctre generatoarele sincrone din centralele electrice este determinat de stabilirea valorii factorului de putere nominal. Din considerente economice, pentru generatoarele sincrone cu puteri sub 25 MW, se adopt pentru factorul de putere nominal valori cuprinse ntre 0,75 i 0,80, iar pentru cele avnd puteri mai mari, valori majorate, cos(n>0,80.

Un generator poate produce o putere reactiv mai mare dect cea nominal, dar numai prin diminuarea corespunztoare a puterii active.

,

(7.10)

la un factor de putere sub cel nominal.

Dac se ine seama i de consecinele circulaiei puterii reactive n reea rezult ca producerea centralizat de putere reactiv n marile centrale ale sistemului electroenergetic, ndeprtate de punctele de consum, este o soluie dezavantajoas din punct de vedere tehnic i economic.

7.2.2. COMPENSATOARE SINCRONE

Compensatoarele sincrone sunt maini electrice sincrone ce funcioneaz n regim de motor supraexcitat realizate ntro construcie mai uoar, datorit absenei sarcinii mecanice utile la axul mainii. Ele consum putere electric activ din reea i produc sau consum putere reactiv, n funcie de valoarea curentului de excitaie.

Gama de puteri uzual a compensatoarelor sincrone este cuprins ntre 5 i 150 Mvar.

n funcie de destinaie i mod de funcionare compensatoarele sincrone pot fi clasificate n dou categorii:

10 Compensatoare sincrone cu reglaj lent al excitaiei, instalate n scopul producerii locale de energie reactiv, n vederea ameliorrii factorului de putere al consumatorilor precum i al reglrii tensiunii prin producere sau consum de putere reactiv;

20 Compensatoare sincrone cu reglaj rapid al excitaiei, care pot urmri, practic instantaneu, ocurile de putere reactiv, proprii funcionrii cuptoarelor cu arc, laminoarelor etc. contribuind, astfel, la evitarea fluctuaiilor de tensiune duntoare.

Utilizate frecvent n trecut, n prezent, compensatoarele sincrone sunt mai puin competitive n comparaie cu bateriile de condensatoare.

Printre dezavantajele compensatoarelor sincrone se pot enumera:

( consumuri importante de putere activ, 12- 15 W/kvar;

( investiie specific, lei/kvar, ridicat;

( existena pieselor n micare ce presupune cheltuieli de exploatare ridicate (instalaii de ungere, de rcire, piese de rezerv etc.).

Avantajele compensatoarelor sincrone const n:

* reglaj fin i continuu, automat la nevoie, al puterii reactive generate;

* comportare bun la scurtcircuite, contribuind la meninerea stabilitii sistemului electroenergetic prin meninerea tensiunii reelei;

* puterea reactiv produs nu depinde de valoarea tensiunii din reea.

7.2.3. MOTOARE SINCRONE

Motoarele sincrone supraexcitate, n principiu, funcioneaz asemntor cu compensatoarele sincrone, cu deosebirea c puterea reactiv este produs n paralel cu consumul de putere activ.

Determinarea puterii reactive maxime furnizate de ctre motor, la un grad de ncrcare al motorului P/Pn dat, se poate face pe baza datelor de catalog sau a curbelor n V, puse la dispoziie de fabrica constructoare.

7.2.4. CONDENSATOARE ELECTRICE

Condensatoarele destinate producerii energiei reactive sunt constituite din uniti monofazate sau trifazate, avnd puteri nominale cuprinse ntre 10 i 200 kvar, caracterizate prin:

dielectricul utilizat, care poate fi hrtie sau hrtie - propilen impregnat n ulei mineral sau sintetic, acesta din urm fiind neinflamabil i avnd pierderi mai reduse;

greutate specific 0,35 - 1,5 kg/kvar;

pierderi specifice de putere activ 2,5 -4,5 W/kvar;

durata de via 25-30 ani;

Puterea reactiv generat de condensatoare este proporional cu ptratul tensiunii reelei electrice:

.

(7.11)

Utilizarea pe scar larg a bateriilor de condensatoare ca surse de putere reactiv n reele de distribuie se explic prin urmtoarele avantaje:

investiii reduse;

pierderi mici de putere activ;

exploatare simpl, fiind aparate statice;

fiabilitate ridicat.

Printre dezavantajele condensatoarelor se enumer:

puterea reactiv produs depinde de tensiunea de alimentare, fiind proporional cu ptratul acesteia;

reglajul puterii reactive produse este posibil numai n trepte;

n reelele ce alimenteaz consumatori deformani condensatoarele accentueaz deformarea undei de tensiune i favorizeaz fenomenele de rezonan. n astfel de reele se pot instala numai baterii de condensatoare echipate cu filtre de armonici.

7.2.5. LINII ELECTRICE

O linie electric formeaz un sistem de condensatoare n care conductoarele liniei i pmntul reprezint armturile, iar izolaia dintre conductoare, respectiv dintre conductoare i pmnt dielectricul. Astfel, o linie electric trifazat prezint trei condensatoare ntre faze, formate de conductoarele de faz ntre ele i trei condensatoare formate de fiecare faz i pmnt.

Pe baza capacitilor pariale, faz-faz i faz-pmnt, se determin o capacitate de calcul, numit capacitate de serviciu, ntre o faz a reelei i un conductor neutru fictiv.

Prezena capacitilor are drept consecin apariia unor cureni capacitivi, uniform repartizai n lungul liniei. Puterea reactiv, generat pe unitatea de lungime de linie, va avea expresia:

,

(7.12)

unde C0 este capacitatea de serviciu pe unitatea de lungime.

7.3. CONSUMATORI DE PUTERE REACTIV

Principalii consumatori de energie reactiv sunt motoarele electrice asincrone, crora le revine circa 70% din puterea reactiv a sistemului electroenergetic i transformatoarele electrice cu o pondere de aproximativ 20%.

Diferena mare dintre consumul de putere reactiv al motoarelor asincrone i cel al transformatoarelor, la aceeai putere activ, provine din faptul c puterea reactiv de magnetizare constituie cea mai important component a puterii reactive i c n cazul transformatoarelor lipsete ntrefierul, prezent la motoarele electrice.

7.3.1. TRANSFORMATOARE ELECTRICE

Puterea reactiv consumat de un transformator, la mersul n gol, Q0 , datorit susceptanei transversale a transformatorului are expresia:

,(7.13)

iar la tranzitarea sarcinii, Qs, datorit reactanei longitudinale:

.(7.14)

Puterea reactiv total consumat de transformator are expresia:

,

(7.15)

n care Sn este puterea aparent nominal a transformatorului;

i0* curentul relativ de mers n gol;

usc* tensiunea relativ de scurtcircuit;

( coeficientul de ncrcare a transformatorului.

n condiii normale de exploatare puterea reactiv total consumat de un transformator poate fi evaluat la 10 % din puterea aparent nominal (8% puterea reactiv de mers n gol i 2% puterea datorit tranzitrii sarcinii transformatorului).

7.3.2. MOTOARE ASINCRONE

Pentru o sarcin oarecare la arbore motorul asincron absoarbe puterea reactiv:

,

(7.16)

unde primul termen, Q0, este puterea reactiv corespunztoare regimului de mers n gol (puterea reactiv de magnetizare) a crei expresie este:

,

(7.17)

iar al doilea termen reprezint puterea reactiv consumat, datorit sarcinii motorului.

Puterea reactiv absorbit la sarcin nominal poate fi exprimat cu ajutorul relaiei:

,

(7.18)

respectiv coeficientul de ncrcare a motorului:

, (7.19)

Puterea reactiv total absorbit la o ncrcare oarecare a motorului i tensiune nominal, conform relaiilor (7.16), (7.17) i (7.18) este:

,

(7.20)

Puterea reactiv de magnetizare constituie cea mai mare parte din puterea reactiv a motorului. Funcie de ncrcarea mainii i valoarea factorului de putere, ponderea sa este prezentat n tabelul 7.1 [32].

Tabelul 7.1.

Coeficientul de ncrcare (Q0/Qn

cos(n=0,91 0,93cos(n=0,77 0,79

10,600,70

0,50,850,90

La ncrcri mici ( < 0,5, cum frecvent se ntlnete n practic, se poate admite c puterea reactiv absorbit de motor este constant i independent de sarcina motorului, n timp ce puterea activ depinde de sarcin.

Factorul de putere al motorului are expresia :

,(7.21)

Variaia sa, n funcie de ncrcare, pentru motoarele asincrone uzuale este ilustrat n figura 7.1 [7].

Fig. 7.1. Variaia factorului de putere pentru motoarele asincrone, n funcie

de coeficientul de ncrcare i factorul de putere nominal

7.3.3. CUPTOARE ELECTRICE CU ARC

Cuptoarele electrice cu arc consum putere reactiv prin instalaiile auxiliare ale sale: transformatorul de alimentare a cuptorului, autotransformatorul reglabil i reeaua scurt de alimentare de la transformator (fig. 7.2), puterea reactiv absorbit de cuptorul cu arc propriu - zis fiind neglijabil.

Fig. 7.2. Schema de principiu i schema echivalent a instalaiei electrice a unui cuptor cu arc.

Factorul de putere al instalaiei, la o funcionare clasic a cuptorului, este suficient de mare 0,8-0,9, dar consumul absolut de putere reactiv este important, avndu-se n vedere puterile aparente mari ale cuptoarelor cu arc care pot ajunge pn la 40 MVA.

7.3.4. INSTALAII DE REDRESARE

Instalaiile de redresare, alimentate prin transformator, consum o putere reactiv:

,

(7.22)

unde Qt este puterea reactiv absorbit de transformator, expresia sa fiind dat de relaia (7.15);

Qr este puterea reactiv absorbit de redresor a crei valoare depinde de tensiunea continu furnizat.

Reglajul puterii redresate

,

(7.23)

se face prin variaia tensiunii continue Ud, realizabil prin modificarea comandat a unghiului de aprindere. Cu ct unghiul de aprindere crete, tensiunea redresat i puterea activ scad, n schimb crete unghiul de defazaj dintre tensiune i curent i odat cu el consumul de putere reactiv al redresorului.

7.3.5. BOBINE DE REACTAN

Puterea reactiv consumat de bobina de reactana are expresia:

(7.24)

unde x* este reactana relativ a bobinei de reactan;

Sn puterea nominal aparent a bobinei;

( coeficientul de ncrcare.

7.4. MIJLOACE PENTRU MBUNTIREA FACTORULUI DE PUTERE

Analiza funcionrii receptoarelor inductive scoate n eviden faptul c factorul de putere al acestora, chiar n condiii de funcionare nominale, este mai mic dect valoarea factorului de putere neutral. In condiii reale de exploatare, cnd sarcina receptoarelor este mai mic dect cea nominal, factorul de putere are valori mai mici chiar dect valoarea factorului de putere nominal.

mbuntirea factorului de putere se poate face prin dou metode:

( micorarea puterii reactive absorbite de receptoare;

( producerea local de putere reactiv.

Prima metod de mbuntire a factorului de putere, numit i metoda mbuntirii factorului de putere prin mijloace naturale, se realizeaz prin msuri tehnico-organizatorice ce au drept scop aducerea factorului de putere al receptoarelor n exploatare, ct mai aproape de factorul de putere nominal.

Cea de a doua metod de mbuntire a factorului de putere, numit i metoda compensrii puterii reactive, const n producerea local de energie reactiv cu ajutorul unor surse de putere reactiv instalate n scopul micorrii circulaiei puterii reactive. Ea are drept scop creterea factorului de putere pn la valoarea factorului de putere neutral.

7.4.1. MIJLOACE NATURALE PENTRU MBUNTIREA FACTORULUI DE PUTERE (REDUCEREA CONSUMULUI DE PUTERE REACTIV)

n vederea reducerii consumului de putere reactiv atenia trebuie ndreptat, n special, asupra motoarelor electrice asincrone, principalele receptoare consumatoare de energie electric reactiv i asupra transformatoarelor de putere. Msurile de reducere a puterii reactive in de alegerea i exploatarea raional a utilajelor existente n instalaii, necesit cheltuieli, n general, reduse i constau n:

10 Creterea coeficientului de ncrcare a motoarelor electrice

Organizarea mai bun a procesului tehnologic poate asigura o funcionare a motoarelor electrice asincrone ct mai aproape de regimul nominal, prin alegerea unor operaii tehnologice adecvate puterii fiecrui utilaj, precum i prin evitarea pauzelor inutile (netehnologice), prin raionalizarea fluxului tehnologic.

20 nlocuirea motoarelor electrice asincrone supradimensionate

nlocuirea motoarelor asincrone, care funcioneaz sistematic la o sarcin redus conduce la micorarea puterii reactive absorbite i de cele mai multe ori la mrirea randamentului motorului electric.

La nlocuirea motoarelor suprancrcate trebuie avute n vedere i urmtoarele aspecte:

( nlocuirea s fie permis de condiiile de montaj;

( s nu fie posibil suprancrcarea noului motor.

Reducerea puterii nominale a motorului este nsoit de scderea puterii reactive absorbite i n consecin de micorarea pierderilor de putere activ n reeaua de alimentare, dar efectul principal se resimte, cu precdere, n instalaiile furnizorului.

nlocuirea motorului se consider rentabil, dac rezult o reducere a pierderilor de putere activ n sistemul electroenergetic iar cheltuielile de investiii ocazionate de nlocuire se amortizeaz n termen de 7 ani, pe seama economiei de energie realizate [32].

Studiile efectuate arat c nlocuirea este ntotdeauna rentabil pentru ncrcri de pn la 45% din puterea nominal.

La ncrcri de 4570% din puterea nominal trebuie efectuat un calcul tehnico-economic de rentabilitate, iar la ncrcri de peste 70% nlocuirea nu este raional.

30 Alimentarea cu tensiune redus a motoarelor asincrone subncrcate

Micorarea tensiunii de alimentare a motorului asincron are drept consecin scderea puterii reactive absorbite datorit reducerii curentului de magnetizare. Concomitent scade i cuplul dezvoltat de motor, cuplul fiind proporional cu ptratul tensiunii de alimentare.

Micorarea tensiunii de alimentare poate fi realizat cu ajutorul autotransformatoarelor sau comutatoarelor stea-triunghi.

Utilizarea comutatoarelor stea-triunghi este posibil n cazul motoarelor asincrone ncrcate timp ndelungat sub 30% din sarcina nominal i care au conexiunea n triunghi la funcionarea normal deoarece la funcionarea cu conexiunea n stea cuplul maxim este de 3 ori mai mic.

Aceast metod poate fi utilizat i dac subncrcarea este periodic, determinat de procesul tehnologic. Pe durata sarcinii reduse se folosete conexiunea n stea, iar la o ncrcare mai mare se trece la conexiunea n triunghi.

Sarcina, ncepnd de la care se trece la conexiunea n triunghi, rezult din asigurarea stabilitii n funcionare, prin evitarea desprinderii motorului i a depirii nclzirii admisibile.

Funcionarea n stea asigur i mbuntirea randamentului, prin scderea pierderilor n fier, care sunt dependente de tensiunea de alimentare.

40 Deconectarea motoarelor asincrone i a transformatoarelor

de sudare la funcionarea n gol

Avnd n vedere ponderea mare a puterii reactive de mers n gol, a motoarelor asincrone i a transformatoarelor, se pot introduce limitatoare de mers n gol, care s asigure deconectarea acestora, ori de cte ori pauza dintre operaiile utile efectuate depete o anumit durat.

Prin deconectare se asigur reducerea consumului de energie reactiv, dar i de energie activ.

Dac opririle motorului asincron, cauzate de limitatorul de mers n gol, au o frecven prea mare, alternate cu intervale de sarcin, economiile rezultate din perioadele de oprire ale motorului ar putea fi anulate sau chiar depite, de consumul suplimentar de energie, din perioadele de pornire ale motorului.

Folosirea limitatoarelor de mers n gol, n cazul motoarelor asincrone de acionare a mainilor unelte, devine rentabil cnd duratele funcionrii de mers n gol depesc 10 secunde.

50 nlocuirea motoarelor asincrone de puteri mari cu motoare sincrone

nlocuirea motoarelor asincrone cu motoare sincrone prezint avantajul c acestea din urm pot funciona cu orice factor de putere, inductiv, egal cu unitatea, sau capacitiv, ca urmare a posibilitii reglrii curentului de excitaie. Se recomand nlocuirea motoarelor asincrone cu puteri mai mari de 100 kW utilizate la acionrile la care nu este necesar modificarea turaiei (compresoare, ventilatoare, mori cu bile etc.).

Motoarele sincrone de execuie normal, existente n instalaii i subncrcate, pot fi folosite ca surse de putere reactiv prin supraexcitare, utiliznduse complet capacitatea lor de compensare.

O alt cale, const n supradimensionarea motoarelor sincrone fa de puterea mecanic cerut i utilizarea lor n vederea producerii de putere reactiv solicitat de alte receptoare din reea. Soluia este economic, investiia suplimentar, n vederea creterii puterii aparente, fiind minim.

60 mbuntirea calitii reparaiei motoarelor asincrone

Executarea unor reparaii necorespunztoare, cum ar fi creterea ntrefierului prin strunjirea rotorului sau reducerea numrului de spire n crestturile statorice la rebobinare are ca efect creterea curentului de magnetizare i deci a puterii reactive absorbite. Pe lng scderea factorului de putere, apare i o cretere a curentului statoric care antreneaz o mrire a pierderilor de putere n reeaua de alimentare.

70 nlocuirea sau deconectarea transformatoarelor slab ncrcate

La funcionarea subncrcat a transformatoarelor electrice de putere factorul de putere este mic i de asemenea randamentul are o valoare sczut. n posturile de transformare echipate cu un singur transformator, a crui ncrcare este permanent sub 40% din puterea nominal, se impune schimbarea lui cu un transformator de putere mai mic, iar in cazul echiprii cu dou sau mai multe transformatoare, deconectarea transformatoarelor slab ncrcate sau funcionarea transformatoarelor dup un grafic adecvat, ntocmit n funcie de variaia sarcinii consumatorului.

80 Utilizarea unor scheme speciale pentru redresoarele comandate

Schemele de redresare clasice cu o singur punte, cu posibiliti de reglare a sarcinii, sunt caracterizate printr-un factor de putere sczut, n special la sarcini reduse, Ud Udo (curba 1 din figura 7.3).

Fig. 7.3 Variaia factorului de putere:

1 - la o schem cu o punte redresoare

trifazat;

2 - la o schem cu dou puni redresoare trifazate n serie, comandate succesiv.

n schimb, la anumite scheme speciale, cum ar fi cele cu un transformator cu trei nfurri i dou puni redresoare serie comandate succesiv (fig. 7.4), factorul de putere este mai bun (curba 2 din figura 7.3).

Fig. 7.4. Schema montajului de redresare

coninnd un transformator cu trei nfurri

i dou puni trifazate n serie,

comandate succesiv.

7.4.2. COMPENSAREA PUTERII REACTIVE (MIJLOACE ARTIFICIALE PENTRU MBUNTIREA FACTORULUI DE PUTERE)

O cale de mbuntire a factorului de putere al unui consumator, prin metode speciale, const n utilizarea unor instalaii de producere local a energiei reactive (fig. 7.5). n acest mod poate fi micorat puterea reactiv transportat pe diversele poriuni ale reelei, puterea reactiv absorbit de receptoarele consumatorului rmnnd nemodificat.

Fig. 7.5. Racordarea la barele consumatorului a unei instalaii de producere local a puterii reactive.

Instalaiile de producere local a puterii reactive, cel mai frecvent utilizate, sunt compensatoarele sincrone i n special condensatoarele electrice. Alegerea ntre aceste dou mijloace de compensare trebuie efectuat pe baza unei analize att din punct de vedere tehnic, ct i din punct de vedere economic, deoarece att caracteristicile lor tehnice, ct i cele economice, aa cum s-a artat n paragraful 7.2, sunt esenial diferite.

Avantajele pe care le prezint, din punct de vedere tehnic, compensatoarele sincrone, n comparaie cu condensatoarele, nu pot s compenseze, n cele mai multe cazuri, dezavantajele care rezult din caracteristicile economice.

Dac puterea necesar a instalaiei de compensare este mai mic de 5 Mvar la tensiunea de 6 kV i mai mic de 10 Mvar la tensiunea de 10 kV, se vor folosi baterii de condensatoare [9]. Dac, ns, puterea instalaiei de producere a puterii reactive depete valorile indicate mai sus alegerea ntre condensatoare electrice i compensatoare sincrone se va face pe baza unui calcul tehnico-economic, dar innd seama, pe lng considerentele economice i de cerinele sistemului electroenergetic, n ceea ce privete reglarea tensiunii i stabilitatea sistemului.

7.4.2.1. Efectul compensrii puterii reactive asupra pierderilor de putere activ n reeaua electric. Echivalentul energetic al puterii reactive

Fie un consumator, alimentat dintr-un post de transformare, care necesit o putere reactiv Qc (fig. 7.5).

n vederea mbuntirii factorului de putere la barele colectoare ale consumatorului se racordeaz o instalaie de producere local a puterii reactive. Puterea reactiv produs Qp de instalaia de compensare poate varia ntre limitele 0 i Qc. Puterea reactiv transportat n reea va fi dat de diferena dintre cele dou puteri:

.

(7.25)

Pierderea de putere activ datorit circulaiei puterii reactive n reeaua de alimentare are, conform relaiei (7.6), expresia:

(7.26)

unde R este rezistena echivalent a poriunii de reea, cuprins ntre sursa de putere reactiv i consumator, raportat la tensiunea nodului la care este racordat consumatorul iar U tensiunea pe barele consumatorului.

Dac puterea reactiv, produs de instalaia de compensare, crete cu (Qp, pierderile de putere activ din reea devin mai mici;

.

(7.27)

Diferena dintre pierderile de putere activ, n cele dou situaii, va fi:

.

(7.28)

Se numete echivalent energetic al puterii reactive limita raportului cnd tinde ctre zero:

.

(7.29)

Echivalentul energetic al puterii reactive, exprimat n W/var, reprezint micorarea pierderilor de putere activ n reeaua de alimentare datorit micorrii puterii reactive transportate.

.(7.30)

Se observ c pentru Qp= Qc, deci la compensare total, echivalentul energetic este egal cu zero, iar pentru Qp=0, adic la nceputul compensrii (Qc= Qt), echivalentul energetic are valoarea maxim:

.

(7.31)

Echivalentul energetic depinde de puterea reactiv transportat (valoare mai mic n cazul reelelor slab ncrcate i mai mare la o ncrcare mai bun) i de distana electric dintre nodul considerat al reelei electrice i sursele de putere reactiv, din care cauz se recomand ca ntrun sistem electroenergetic s se repartizeze mijloace de compensare, n primul rnd, pentru consumatorii cei mai ndeprtai de locurile de producere a energiei electrice.

Echivalentul energetic se utilizeaz la calculul eficienei economice a instalaiei de compensare a puterii reactive, motiv pentru care se mai numete i echivalent energetic economic i la calculul pierderilor de putere activ datorit circulaiei de putere reactiv (paragraful 1.4.5).

Expresia echivalentului energetic se poate obine i direct prin derivarea relaiei (7.26).

.(7.32)

Nu exist contradicie ntre definirea echivalentului energetic cu ajutorul relaiei (7.29), respectiv cu relaia (7.32), deoarece pentru Qc constant avem:

,

(7.33)

iar

.

(7.34)

n tabelul 7.2 se prezint valorile echivalentului energetic n cteva noduri caracteristice ale sistemului electroenergetic.

Tabelul 7.2.

Locul de instalare a transformatorului n cadrul sistemului electroenergeticLa ncrcrile ale sistemului

maximeminime

Transformatoare alimentate direct de la barele centralelor electrice0,020,02

Transformatoare montate n staii a cror sarcin reactiv este compensat prin compensatoare sincrone0,150,10

Transformatoare cobortoare de tensiune alimentate din staiile cu tensiune nominal de 35-110 kV0,050,03

Transformatoarele posturilor de transformare alimentate la medie tensiune0,100,03

7.4.2.2. Determinarea puterii reactive produse de instalaia de compensare, n vederea mbuntirii factorului de putere

Se consider un consumator caracterizat prin puterile cerute, activ Pc i reactiv Qc, i avnd un factor de putere natural dat de relaia:

.

(7.35)

n vederea mbuntirii factorului de putere pn la valoarea factorului de putere neutral stabilit prin instruciuni speciale prin sistemul de tarifare a energiei electrice sau pn la valoarea unui factor de putere optim, determinat pe baz de calcule tehnico-economice se prevede o instalaie de producere local a puterii reactive.

Triunghiurile puterilor consumatorului, n ipoteza neglijrii pierderilor de putere activ n reea, nainte, respectiv dup compensare, sunt prezentate n figura 7.6. Din aceast figur rezult c instalaia de producere local a puterii reactive micoreaz puterea reactiv transportat n reea i micoreaz unghiul dintre puterile activ i aparent, respectiv mrete factorul de putere.

Fig. 7.6. Triunghiul puterilor: a) fr instalaie de compensare a puterii reactive; b) cu instalaie de compensare a puterii reactive.

Puterea reactiv produs de instalaia de compensare necesar mbuntirii factorului de putere pn la valoarea factorului de putere neutral, are expresia:

.(7.36)

n cazul n care instalaia de compensare este constituit din condensatoare electrice, avnd puterea reactiv unitar Q0, bateria de condensatoare va avea un numr de elemente:

.

(7.37)

7.5. UTILIZAREA CONDENSATOARELOR ELECTRICE PENTRU PRODUCEREA PUTERII REACTIVE

Condensatoarele electrice, montate n paralel cu receptoarele sau pe barele tablourilor de distribuie, constituie surse de putere reactiv, servind la mbuntirea factorului de putere.

Caracteristicile condensatoarelor pentru compensarea puterii reactive, fabricate n ara noastr, sunt date n tabelul 7.3 [35].

Tabelul 7.3.

Caracteristicile condensatoarelor electrice, pentru producerea puterii reactive,

fabricate n Romnia.

Tipul condensatoruluiQn [kvar]Un [kV]Cn [(F]Nr. faze

CU-0,38-15-3150,380110,003

CU-0,50-15-1150,500193,001

CU-0,50-15-3150,50064,003

CS-0,38-15-1150,380330,001

CS-0,38-15-3150,380110,003

CS-0,38-20-3200,380146,003

CS-0,50-15-1150,500193,001

CS-0,50-15-3150,50064,003

CS-3,30-80-E803,30023,401

CS-3,64/6,3-100-E1003,64024,001

CS-6,06-100-E1006,0608,651

Semnificaia grupurilor de litere i cifre este urmtoarea:

C - condensator; U - ulei mineral; S - ulei sintetic (clorurat); E - montaj exterior ; prima grup de cifre - tensiunea nominal n kV; a doua grup de cifre - puterea reactiv nominal n kvar; ultima cifr - numrul de faze.

7.5.1. CONEXIUNILE CONDENSATOARELOR ELECTRICE

Din punct de vedere al conexiunilor condensatoarele sunt monofazate i trifazate, legate n stea sau n triunghi (fig. 7.7).

Puterea reactiv produs de un condensator monofazat (fig. 7.7a) are expresia:

.

(7.38)

Puterea reactiv produs de un condensator trifazat cu conexiunea n stea (fig. 7.7b) va fi:

,

(7.39)

respectiv, de un condensator trifazat cu conexiunea n triunghi (fig.7.7c),

.(7.40)

Fig. 7.7. Conexiunile condensatoarelor: a) monofazat; b) trifazat n stea;

c) trifazat n triunghi.Din relaiile (7.39) i (7.40) rezult c puterea reactiv produs de condensatoarele cu conexiunea n triunghi este de trei ori mai mare dect a acelorai condensatoare legate n stea, n schimb dielectricul condensatoarelor cu conexiunea n triunghi este solicitat la o tensiune de ori mai mare dect n cazul condensatoarelor cu conexiunea n stea. n instalaiile de joas tensiune, unde solicitarea dielectricului nu ridic mari probleme, se utilizeaz practic numai conexiunea n triunghi.

n instalaiile de medie tensiune este preferabil conexiunea n stea, costul bateriei de condensatoare la aceeai putere rezultnd mai mic.

7.5.2. DESCRCAREA CONDENSATOARELOR ELECTRICE

ntruct la deconectarea de la reea, condensatoarele rmn ncrcate, putnd avea o tensiune rezidual egal cu valoarea maxim a tensiunii reelei, se prevd rezistene de descrcare montate n paralel cu condensatoarele, care asigur, dup deconectare, scderea tensiunii la bornele condensatoarelor la o valoare admisibil, ntr-un timp de descrcare impus.

Descrcarea rapid a condensatoarelor, imediat dup deconectare, este necesar pentru evitarea pericolului de producere a ocurilor electrice la atingerea unui condensator deconectat, ct i pentru reducerea ocurilor de curent la reconectarea bateriei de condensatoare.

Scderea n timp a tensiunii la bornele condensatorului, n ipoteza c deconectarea se produce n momentul n care tensiunea reelei are valoarea maxim, este dat de ecuaia procesului tranzitoriu:

,

(7.41)

unde u este valoarea instantanee a tensiunii la bornele condensatorului;

R rezistena de descrcare legat n paralel cu condensatorul;

C capacitatea condensatorului;

valoarea maxim a tensiunii reelei.

Punnd condiia ca pentru timpul de descrcare impus tensiunea la bornele condensatorului s fie egal cu tensiunea admisibil rezult rezistena de descrcare:

.

(7.42)

Normativele din ara noastr privind protecia mpotriva producerii ocurilor electrice impun pentru timpul de descrcare t=60 s i Uadm=50 V n cazul curentului alternativ.Dat fiind consumul mic de putere activ a rezistenelor de descrcare , acestea pot fi, uneori, meninute conectate permanent. Pentru evitarea pierderilor de putere n rezistenele de descrcare, acestea pot fi conectate prin intermediul contactelor auxiliare ale contactoarelor sau ntreruptoarelor automate care servesc la conectarea bateriei de condensatoare. n instalaiile de curent alternativ trifazat se recomand montarea rezistoarelor de descrcare n triunghi, n vederea asigurrii descrcrii i la ntreruperea unuia din rezistoare (fig. 7.8).

Fig. 7.8. Legarea rezistoarelor de descrcare a condensatoarelor ntr-o reea trifazat:

a) n triunghi (corect); b) n stea (greit).Ca rezistene de descrcare se pot folosi i lmpi cu incandescen dimensionate corespunztor, legate cte dou n serie ntre dou faze ale reelei, care contribuie i la iluminarea spaiului respectiv.

La compensarea individual a motoarelor i transformatoarelor, descrcarea condensatoarelor se produce pe nfurrile acestora.

7.5.3. AMPLASAREA BATERIILOR DE CONDENSATOARE LA CONSUMATOR

Din punct de vedere al modului de amplasare a bateriilor de condensatoare la consumator, se deosebesc trei tipuri de compensare i anume: individual, pe grupe de receptoare i centralizat.

7.5.3.1. Compensarea individual

Const n montarea bateriilor de condensatoare lng fiecare receptor cu durat de funcionare mare la care consumul de putere reactiv este important (motoare asincrone, transformatoare, cuptoare electrice), asigurnd compensarea puterii reactive chiar la locul de consum, descrcnd n acest mod restul reelei de circulaia puterii reactive, cu toate avantajele ce decurg din aceasta.

La compensarea individual bateria de condensatoare este legat direct la bornele receptorului, conectarea i deconectarea de la reea realizndu-se prin aparatul de comutaie al acestuia (fig. 7.9). Descrcarea condensatoarelor se face prin nfurrile receptorului.

Fig. 7.9. Compensarea individual

prin legarea bateriei de condensatoare

direct la bornele motorului electric.

Pentru a evita supracompensarea n cazul subncrcrii i autoexcitarea n cazul frnrii motorului se compenseaz n mod obinuit doar 90% din puterea reactiv de mers n gol, asigurndu-se un factor de putere n jur de 0,9 la funcionarea nominal i de circa 0,95 la funcionarea n gol.

Puterea reactiv necesar compensrii motoarelor asincrone, este dat n tabelul 7.4 , n funcie de puterea nominal a motorului.

Tabelul 7.4.

Pn, kW45,57,5111518,522(30

Qp, kvar22,53,0568,0100,35Pn

Un dezavantaj al compensrii individuale const n faptul c bateria de condensatoare este util doar receptorului la care este montat i numai pe durata funcionrii acestuia, rezultnd pe ansamblul consumatorului o risip de mijloace de compensare.

Compensarea individual se utilizeaz i n cazul corpurilor de iluminat cu lmpi cu descrcri electrice n gaze i vapori metalici, capacitatea condensatoarelor, legate n paralel cu lmpile, fiind date n tabelul 7.5 [32].

Tabelul 7.5.

Capacitatea condensatoarelor pentru mbuntirea factorului de putere al lmpilor cu descrcri electrice.

Tipul lmpiiCapacitatea condensatorului n (F

LFA 145,6

LFA 204,7

LFA 404,7

LFA 657,5

LVF 806,3

LVF 12510

LCF 25020

LVF 40025

7.5.3.2. Compensarea pe grupe de receptoare

Se utilizeaz n cazul unor receptoare de putere mai mic, dar grupate, alimentate din acelai tablou de distribuie secundar sau principal, bateria de condensatoare conectndu-se la barele tabloului.

Acest mod de compensare limiteaz, de asemenea, vehicularea puterii reactive n reeaua din amonte de locul de montare, nu afecteaz puterea reactiv debitat de bateria de condensatoare la deconectarea unor receptoare (bateria rmne permanent conectat), n schimb este necesar a urmri funcionarea bateriei n scopul evitrii supracompensrii.

7.5.3.3. Compensarea centralizat

Se realizeaz prin racordarea bateriei de condensatoare la barele tabloului general de distribuie din postul de transformare sau chiar pe barele de medie tensiune din punctul de alimentare.

La compensarea centralizat efectele pozitive ale compensrii nu se resimt n reeaua consumatorului situat n aval de locul de montare a bateriei de condensatoare.

n vederea urmririi variaiei puterii reactive cerute de consumator sau de grupul de receptoare, n cazul compensrii centralizate sau pe grupuri de receptoare, bateriile de condensatoare se execut cu posibilitatea conectrii / deconectrii n trepte, de regul, automate.

Bateriile comutabile automat sunt fracionate n mai multe trepte (de regul trei, din motive de economicitate), puterea treptelor stabilinduse n funcie de curba zilnic de sarcin reactiv a grupului de receptoare. Puterea treptei de baz, conectat permanent la reea, va avea o valoare cu ceva mai mic dect minimul curbei de sarcin, puterea urmtoarelor trepte fiind de aceiai mrime.

7.5.4. CONECTAREA I DECONECTAREA BATERIILOR DE CONDENSATOARE

Dup modul de conectare la reea, bateriile de condensatoare sunt:

fixe, nedispunnd de aparataj de conectare, cum sunt cele utilizate n cazul compensri individuale;

comutabile (nefracionate sau fracionate) dispunnd de aparataj de conectare propriu.

Bateriile comutabile pot fi conectate manual sau automat.

Conectarea i deconectarea bateriilor de condensatoare este nsoit de supracureni i supratensiuni.

Din punctul de vedere al fenomenelor de comutaie deosebim baterii de condensatoare comutabile:

simple, n cazul n care n apropierea lor nu exist alte baterii care ar putea mrii curentul de conectare;

n trepte, al cror curent de conectare este mrit n mod apreciabil de condensatoarele conectate la reea.

7.5.4.1. Conectarea bateriei simple

La conectarea bateriei apar supracureni ale cror valori maxime sunt de 3 pn la 10 ori curentul nominal i supratensiuni, ale cror valori de vrf nu depesc, n general, dublul valorii maxime a tensiunii reelei.

Reducerea curentului, la conectare, este posibil prin introducerea unor reactane inductive, n serie cu bateria de condensatoare. Pentru bateriile de condensatoare de joas tensiune, nsui cablul de legtur, n lungime de civa metri, realizeaz o limitare a curentului.

La deconectarea bateriei valoarea curentului de deconectare este totdeauna mai mare dect la conectare, ceea ce impune utilizarea unor ntreruptoare cu puteri de rupere corespunztoare.

7.5.4.2. Conectarea bateriei n trepte

Curentul de conectare al unei trepte este mrit, n mod apreciabil, de treptele conectate n prealabil la reea. Cel mai mare supracurent apare la conectarea ultimei trepte n situaia n care condensatoarele celorlalte trepte, avnd la borne o tensiune egal cu valoarea maxim a tensiunii reelei, se descarc pe cele ale ultimei trepte.

Reducerea curentului de conectare se realizeaz tot prin nserierea unor bobine.

La deconectarea bateriei n trepte fenomenele se petrec cu o oarecare aproximaie, ca i la deconectarea bateriei simple.

n reelele cu consumatori importani deformani, cum sunt convertoarele de putere folosite la acionri electrice, condensatoarele trebuie utilizate cu pruden. Sarcina neliniar a convertoarelor conduce la apariia armonicilor superioare de curent. Parcurgerea condensatoarelor de ctre armonicile de curent, produse de convertoare, poate avea ca efecte apariia fenomenelor de rezonan de curent i tensiune, pe una din frecventele armonicilor i avarierea bateriei de condensatoare ca urmare a supratensionrii i a suprancrcrii de durat.

n astfel de cazuri, bateriile de condensatoare se racordeaz la reea prin intermediul filtrelor de armonici (de absorbie i refulante), care permit totodat i atenuarea regimului deformant.

7.6. DETERMINAREA PUTERII INSTALATE OPTIME A SURSELOR DE PRODUCERE LOCALA A ENERGIEI REACTIVE

n sistemele electroenergetice puternice ponderea generatoarelor din centralele electrice, n balana puterii reactive, trebuie redus n favoarea surselor de producere local a puterii reactive, condensatoare i compensatoare sincrone.

Determinarea puterii reactive instalate optime a sursei de compensare a puterii reactive, se poate face pe baza criteriului tehnico-economic al cheltuielilor totale anuale minime.

Cheltuielile anuale de calcul sunt de dou categorii, cheltuieli anuale de exploatare i cheltuieli anuale de investiii

,

(7.43)

unde I reprezint costul investiiei;

coeficientul de amortizare;

timpul de recuperare a investiiei ( pentru ramura energetic Tr=510 ani).

Cheltuielile anuale de exploatare, la rndul lor, se compun din doi

termeni:

.

(7.44)

Cheltuielile C1 reprezint costul energiei electrice active consumate anual de mijlocul de compensare, ele avnd expresia:

,

(7.45)unde a este preul unitar al energiei electrice, lei/kWh;

Wa1 energia electric activ consumat ntrun an de mijlocul de compensare, kWh;

b consumul specific de putere activ al mijlocului de compensare, kW/kvar;

Wr energia reactiv anual produs;

Tui timpul de utilizare a puterii reactive instalate a mijlocului de compensare, ore/an;

Qi puterea reactiv instalat, kvar.

Cheltuielile C2 reprezint costul energiei electrice active pierdute ca urmare a circulaiei puterii reactive n reeaua electric. Aceste cheltuieli scad odat cu creterea puterii reactive instalate n mijlocul de compensare a puterii reactive. Ele au expresia:

,

(7.46)

unde:

, (7.47)

reprezint pierderile de putere activ n reeaua electric corespunztoare puterii reactive instalate Qi;;

Qt puterea reactiv transportat n reeaua electric;

R rezistena echivalent a poriunii de reea cuprins ntre sursele de putere reactiv ale sistemului electroenergetic i consumator, raportat la tensiunea U de pe barele consumatorului.

Cheltuielile de investiii se pot pune i ele sub forma:

,

(7.48)

unde isp reprezint investiia specific, lei/kvar.

Cheltuielile anuale totale de calcul vor avea expresia final:

, (7.49)

Minimizarea cheltuielilor anuale de calcul, n raport cu variabila Qi, se face prin egalarea cu zero a derivatei:

, (7.50)

Din relaia (7.50) rezult puterea instalat optim a mijlocului de compensare a puterii reactive:

,(7.51)

Dac se are n vedere expresia echivalentului energetic maxim a puterii reactive (7.31):

,(7.52)

a crui valoare este calculat pentru diversele noduri ale sistemului electroenergetic se obine forma final a expresiei puterii reactive optime:

,(7.53)

Concluzii

Din relaia (7.53) rezult c este necesar instalarea mijlocului de compensare a puterii reactive numai dac este ndeplinit inegalitatea:

,(7.54)

caz n care:

,(7.55)

2221

_1094492227.unknown

_1094492450.unknown

_1094492525.unknown

_1094492825.unknown

_1094876486.unknown

_1094881432.unknown

_1094881459.unknown

_1094876882.unknown

_1094492917.unknown

_1094492918.unknown

_1094492835.unknown

_1094492702.unknown

_1094492711.unknown

_1094492659.unknown

_1094492483.unknown

_1094492496.unknown

_1094492474.unknown

_1094492391.unknown

_1094492430.unknown

_1094492440.unknown

_1094492415.unknown

_1094492256.unknown

_1094492365.unknown

_1094492246.unknown

_1042000780.unknown

_1079374490.unknown

_1093792667.doc

(

(

_1094144408.doc

_1094492222.unknown

_1094146274.doc

_1093793016.doc

_1087286872.unknown

_1087805636.unknown

_1087805738.unknown

_1087288111.unknown

_1087288176.unknown

_1087285286.unknown

_1087286725.unknown

_1082393999.unknown

_1042005652.unknown

_1042005937.unknown

_1077375487.unknown

_1077375969.unknown

_1042015550.unknown

_1042005883.unknown

_1042001009.unknown

_1042005521.unknown

_1042000991.unknown

_1038216473.unknown

_1038217270.unknown

_1038217376.unknown

_1038217416.unknown

_1038217515.unknown

_1038291638.unknown

_1038217491.unknown

_1038217403.unknown

_1038217300.unknown

_1038216860.unknown

_1038217205.unknown

_1038216837.unknown

_1038133536.unknown

_1038216402.unknown

_1038216432.unknown

_1038216409.unknown

_1038136809.unknown

_1038207765.unknown

_1038208339.unknown

_1038134550.unknown

_1038113968.unknown

_1038133307.unknown

_1037705835.unknown