30. sz. laboratóriumi gyakorlat A fázistényező javítása, automatikus fogyasztói meddőteljesítmény kompenzáció 1. Elméleti alapok A váltakozó-áramú villamos készülékek döntő többsége elektromágneses elven működik (motorok, transzformátorok). A működésükhöz szükséges mágneses teret, váltakozó-áramról lévén szó, a hálózatból felvett meddőteljesítmény segítségével lehet létrehozni, ill. fenntartani. Ezt a meddőteljesítményt a wattos teljesítményhez hasonlóan az energiaszolgáltató erőművek, generátorok állítják elő, és a vezetékrendszer segítségével juttatják el a fogyasztókhoz. A szállított meddőteljesítmény és a hálózat feszültsége meghatározza az ún. meddőáram értékét. Ez az áram a wattos terhelés áramához vektorosan hozzáadva adja az áramot. Az áram természetszerűen nagyobb, mint a wattos áram, így a vezetéken keletkező feszültségesések és veszteségek nagyobbak lesznek a meddőáram mentes hálózat feszültségeséséhez, veszteségéhez képest. Különösen nagyok lesznek ezek, ha a meddőáram nagy és a meddőteljesítményt messziről kell a fogyasztóhoz szállítani. Egy meddőteljesítménnyel erősen terhelt vezeték kapcsolási vázlatát és vektorábráját az 1. ábra tünteti fel. A vezeték impedanciája Z H = R H + jX H ohm legyen. A vektorábrában feltüntettük a tápponti (UT), a fogyasztói (UF) feszültségeket, valamint a feszültségeséseket is. Látható, hogy a meddőáram növekedésével a feszültségesés komponensek rohamosan nőnek. Látható a vektorábrából az is, hogy a vezetéket terhelő áram (IF) a wattos áramnál lényegesen nagyobb, értéke: 2 + I 2 vagy IF = Iw m IF =
Iw cos ϕ
Melegedés szempontjából a vezetéket az IF áram terheli és köztudott, hogy minden vezető keresztmetszethez meg van adva a legnagyobb terhelőáram értéke, tehát a wattos áramhoz járuló meddőárammal elérhetjük a vezető terhelőáramának felső értékét. Ennek az lesz a következménye, hogy a vezetéken sem wattos, sem meddő többlet teljesítményt szállítani nem lehet. Nem foglalkozunk vele, de hasonló problémák merülnek fel a meddőteljesítményt szolgáltató generátoroknál is. Az elmondottakból következik, hogy a fogyasztók működéséhez nélkülözhetetlen mágnesező áram az energia-szolgáltatás rendszerében nem kívánatos jelenség. A probléma megoldása az, hogy a meddőteljesítményt nem a generátorokkal állíttatjuk elő,
hanem azt közvetlenül a fogyasztónál. Így elmarad a szállítással járó többlet feszültségesés és veszteség. A meddőteljesítmény előállítására a túlgerjesztett szinkrongépek és a kondenzátorok alkalmasak. Mi itt most csak a kondenzátoros megoldással fogunk foglalkozni. Kapcsoljunk egy kondenzátort az 1. ábrán lévő vázlatban a fogyasztóval párhuzamosan (2. ábra). A kör vektorábráját az áramokra megrajzolva azt látjuk, hogy a vezeték árama (IF) lecsökkent IF’ értékűre, mégpedig úgy, hogy a meddőkomponens értéke Im’ = Im - Ic értékre csökkent, a wattos komponens értéke pedig nem változott, Iw = Iw’. További kondenzátorokat bekapcsolva elérhető, hogy a meddőáram nulla értékűvé válik. (Ez a teljes kompenzálás esete.) Ekkor a vezetéket már csak a wattos terhelés árama terheli, amely lényegesen kisebb lehet, mint az eredeti áram. A kondenzátor hatására a vezetéken folyó áram abszolút értéke lecsökkent, ezzel egyszerre két hatást lehetett elérni: 1/ kisebb lett a feszültségesés, 2/ a vezetékre további fogyasztók kapcsolhatók. A meddőenergiát a túlméretezések elkerülése, ill. a veszteségek csökkentése érdekében célszerű a fogyasztó közelében előállítani. Ezzel a meddőáram szállításából eredő járulékos veszteségek részben, vagy teljes mértékben elkerülhetők.
1. ábra
2. ábra Alapvetően a kompenzációval az alábbi eredmények érhetők el: 1. állandó hatásos teljesítmény esetén a hálózati veszteségek csökkentése; 2. állandó látszólagos teljesítmény esetén a fogyasztónál a hálózat túlterhelése nélküli fogyasztói bővítés. A kompenzáció lehet egyedi, csoportos és központi. A csoportos- és központi kompenzáció alkalmazása esetén, ha a fogyasztók ki-be kapcsolása nagy teljesítmény-tényezőváltozást okoz, akkor a kondenzátorok összteljesítményét is automatikusan változtatni kell a túl-kompenzáció elkerülése céljából. A kapacitív elemek a hálózat soros induktív elemeivel rezonanciába kerülnek. A rezonancia jelensége akkor veszélyes, ha a hálózat feszültség-felharmonikusokat is tartalmaz és rezonancia esetén a felharmonikus áramok a kondenzátorok túlmelegedését okozhatják. Ezért a felharmonikus áramok csökkentése érdekében a soros rezgőkör rezonanciáját úgy kell elhangolni, hogy a felharmonikus áramok okozta melegedés elfogadható érték alatt maradjon. 1.2. Mérési feladatok 1. Egy meghatározott terhelhetőségű vezetékmodellre ohmos és induktív fogyasztókat párhuzamosan kell kapcsolni. A szükséges kondenzátort teljesítmény meghatározása céljából mérni kell a feszültséget, áramerősséget és a teljesítménytényezőt. Ezután vektorábra és számítás segítségével meg kell állapítani, hogy a rendelkezésre álló kondenzátorok bekapcsolásával a teljesítménytényező milyen értékű lesz. Ezt méréssel is ellenőrizzük. 2. A 3. ábra szerint hanggenerátor segítségével méréssel határozzuk meg a kompenzálás után a soros rezonancia-frekvenciát. A mérés idejére a wattos fogyasztókat iktassuk ki. A rezonancia-frekvenciát számítással is ellenőrizzük.
3. ábra 3. Automatikus meddőkompenzálás mérése A FAK-u típusú automatikus fázisjavító kapcsoló működési elve a 4. ábra alapján követhető:
4. ábra A fázisjavító érzékelője szimmetrikus kimenetű fázis-érzékeny jelátalakító rendszer. A terhelőáram változását S áram-stabilizátor állandó értéken tartja. Így a szabályozás csak a teljesítménytényezőtől függ. A hálózati feszültséggel arányos feszültség a T leválasztó transzformátorón keresztül jut a B jelátalakító bemenetére. Ha a teljesítménytényező az érzéketlenségi sáv alsó határát eléri, akkor az E kapcsolóüzemű erősítő indítja az F késleltető egységet. Amennyiben a cosϕ érték a késleltetési idő után is a beállított sáv alatt marad, akkor a K kapcsolóegység a mágnes-kapcsoló számára vezérlést ad és annyi kondenzátortelepet kapcsol be, amennyi a szabályozási eltérést megszünteti. A teljesítménytényező növekedése esetén a D kikapcsoló-erősítő üzemel és az F késleltető-egységen, valamint a K kapcsolóegységen keresztül működteti a mágnes-kapcsolókat.
Egyéb adatok: Érzékelés: R fázisáram S-T vonali feszültség Kapcsolási késleltetés: 0-3 perc Referencia érték: cos ϕ = 1,0 - 0,9 (ind). Un = 380 V In = 5 A Egy négyfokozatú automatika 16 kapcsolási variációt képes megvalósítani. A készülék bekötési rajza:
5. ábra A mérés során változtatni kell az induktív fogyasztók számát és vizsgálni az önműködő fázisjavító működését. Ezzel kapcsolatosan állapítsuk meg az optimális késleltetési idő beállítását az alábbi összefüggés figyelembevételével: T
T
0
c
∫ QL dt ≥ −k ∫ Qc dt
2. A mérés menete 1. Fázistényező javításának mérése a) Megmérjük a kör feszültségeit és áramait, majd felrajzoljuk a vektorábrát. (1. ábra)
6. ábra Ezután kiszámítjuk a cosϕF értékét cos ϕ F =
PF összefüggéssel, kiszámítjuk Iw=IF cosϕF és Im=IF sinϕF értékeit. UF IF
Felrajzoljuk léptékhelyesen UF értékét, ennek kezdőpontjából UT értékének megfelelő kört rajzolunk, majd UF végpontjából ∆U értékének megfelelő sugárról másik körívet rajzolunk. A két körív metszéspontja kijelöli UT és ∆U irányait. Ezután berajzoljuk az áramok vektorait is. b) Bekapcsolunk néhány kondenzátort és újból megmérjük az előbbi mennyiségeket és a vektorábrába berajzoljuk. c) Annyi kondenzátort kapcsolunk be, hogy a teljes kompenzáció jöjjön létre. Rajzoljuk fel ennek az esetnek is a vektorábráját . d) Állapítsuk meg a teljes kompenzáció esetén a vereték terhelhetőségének határtat, figyelembe véve, mennyi wattos terhelést lehet még a vezetékre kapcsolni. e) Csökkentetik a wattos terhelést és kapcsoljunk be még kondenzátort, az ún. túlkompenzált állapotot hozva létre. Rajzoljunk vektorábrát egy ilyen esetre is. 3. Az 1,2 rész 2. pontjában leírt feladatok méréséhez egy 5 W-os hanggenerátort kb 500 Ω-os ellenállás sorba kötésével kapcsoljunk a hálózatról leválasztott kompenzált fogyasztókra. A frekvencia változtatásával állapítsuk meg a rezonancia-frekvencia értékét. 4. A 7. ábrának megfelelően, összekapcsolt készülékeknél az induktív fogyasztók KI-BE kapcsolásához készítsünk menetrendet, és ezt vessük egybe az önműködő szabályozó követési menetrendjével.
5. A jegyzőkönyv tartalmazza: - a kapcsolási rajzokat - a teljesítménytényező értékeit kompenzálás előtt és után, a vektorábrát és a számításokat - a rezonancia frekvencia számított és mért értékeit - a menetrendeket az értékeléssel. 6. A méréshez szükséges műszerek és eszközök: 1 db torold transzformátor 1 db hanggenerátor 1 db oszcilloszkóp 3 db ampermérő (0-5 A) 1 db wattmérő 1,25-2,5 A 300 V 1 db voltmérő (0-15 V) 2 db cos ϕ mérő 1 db FAK-U 8 tip. kond. automatika 5 db VMK tip. mágnes-kapcsoló 8 db kézi működtetésű kapcsoló 3 db csomóponti elem 1 db vezeték modell
7. ábra 7. Ajánlott irodalom: 1. 2. 3. 4.
Pálfi László: Villamosenergia-gazdálkodás; MK 1981 Komlósy - Morva: Energiagazdálkodás; Főiskolai jegyzet Kádár Aba szerk.: Erősáramú zsebkönyv; MK 1981 Dr. Puhr - Szeles - Turán: A fázisjavítás gyakorlata; MK 1976
