Čo je kompenzácia jalového výkonu a ako sa vypočíta výška kompenzácie?

Pri každodennej práci sa často stretávate s touto otázkou: kapacita transformátorov sa meria v kilovoltoch-ampéroch (kVA), výstupný výkon motorov v kilowattoch (kW) a výkon kompenzácie kondenzátora vo varoch alebo kilovaroch (var). Prečo existujú tri rôzne výrazy pre jednotky, ktoré všetky predstavujú elektrickú energiu?

To nás privádza k téme, o ktorej budeme dnes diskutovať: inherentný vzťah medzi jalovým výkonom (jednotka: var alebo kvar), aktívnym výkonom (jednotka: W alebo kW), zdanlivým výkonom (jednotka: VA alebo kVA) a účinníkom.

 

I. V rozvodnej sieti možno elektrický výkon dodávaný zdrojom do záťaže kategorizovať do dvoch typov: činný výkon a jalový výkon.

(1) Jalový výkon (Q):
Mnoho elektrických zariadení pracuje na princípoch elektromagnetickej indukcie, ako sú distribučné transformátory a motory. Motory vyžadujú vytvorenie a udržiavanie rotujúceho magnetického poľa na pohon rotora, ktorý zase poháňa mechanický pohyb. Magnetické pole rotora v motore je generované čerpaním jalového výkonu zo zdroja energie.
Transformátory tiež vyžadujú jalový výkon na vytvorenie magnetického poľa v primárnom vinutí a indukciu napätia v sekundárnom vinutí. Preto bez jalového výkonu by sa motory neotáčali, transformátory by nemohli transformovať napätie a striedavé stykače by sa nezapájali. Generátory dokážu produkovať jalový výkon a kondenzátory môžu dodávať jalový výkon-to je základ kompenzácie jalového výkonu.

(2) Aktívny výkon (P):
Aktívny výkon sa vzťahuje na časť elektrickej energie, ktorá môže byť priamo premenená na iné formy energie a spotrebovaná. Napríklad motor premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu. Bez ohľadu na účinnosť dokáže 11 kW motor premeniť 11 kWh elektrickej energie na ekvivalentné množstvo mechanickej energie za hodinu. 100 W žiarovka premení 0,1 kWh elektrickej energie na svetelnú energiu za hodinu. Podobne 1 kW ohrievač premení 1 kWh elektrickej energie na tepelnú energiu za hodinu. Aktívny výkon je elektrická energia, ktorú možno priamo premeniť na iné formy energie.

(3) Zdanlivý výkon (S):
V istom zmysle je zdanlivý výkon kombináciou aktívneho výkonu (P) a jalového výkonu (Q). V prípade zdrojov energie zdanlivý výkon zahŕňa aktívny aj jalový výkon. Napríklad energia dodávaná transformátorom zahŕňa aktívne aj reaktívne zložky, a preto je kapacita transformátorov vyjadrená v zdanlivom výkone meranom v kilovoltoch- ampéroch (kVA).

 

II. Vzťah medzi činným výkonom, jalovým výkonom a zdanlivým výkonom

Aby sme vysvetlili vzťah medzi týmito tromi, musíme najprv pochopiť, čo je účinník.

V striedavom obvode sa kosínus fázového rozdielu (Φ) medzi napätím a prúdom nazýva účinník, ktorý sa označuje ako cosΦ. Číselne je účinník pomerom činného výkonu k zdanlivému výkonu, tj cosΦ=P/S.

 

 

(1) Čo presne je jalový výkon?

Na základe vzťahov znázornených výkonovým trojuholníkom, napäťovým trojuholníkom a impedančným trojuholníkom možno jalový výkon v praxi jednoducho chápať takto:
V elektrickom obvode spotrebúvajú čisto odporové komponentyaktívny výkon (P)zatiaľ čo indukčné komponenty (ako sú cievky reaktora, vinutia transformátora a statory alebo rotory motorov) spotrebúvajújalový výkon (Q). Na druhej strane kapacitné komponenty dodávajú jalový výkon (Q) -, napríklad kondenzátory a synchrónne generátory. (Poznámka: Keď je v prevádzke synchrónny generátor, jeho vinutia sa správajú kapacitne, čo znamená, že dodáva aktívny aj jalový výkon.)

Jednoduché zhrnutie teda znie:
Indukčné alebo kapacitné komponenty sú spotrebiteľmi a poskytovateľmi jalového výkonu.

(2) Aké sú negatívne vplyvy jalového výkonu?

Znižuje aktívny výstupný výkon generátorov
Je to preto, že celková kapacita (tj zdanlivý výkon S) generátora je pevná. Ak je dodávaný príliš veľký jalový výkon Q, činný výkon P sa zodpovedajúcim spôsobom zníži; v opačnom prípade môže dôjsť k preťaženiu generátora.

Znižuje kapacitu napájania prenosových a distribučných zariadení
Dôvod je rovnaký ako v prípade generátorov.

Zvyšuje straty sieťového napätia
So zvyšujúcou sa zložkou jalového prúdu v obvode sa zvyšuje aj celkový prúd. Pokles napätia (δU=IZ) je úmerný prúdu. Väčšie poklesy napätia si vyžadujú zväčšenie-prierezu vodičov, čo vedie k vyšším investičným nákladom.

 

(3) Výhody jalového výkonu

Mnoho elektrických zariadení pracuje na princípoch elektromagnetickej indukcie, ako sú distribučné transformátory a motory.

Motory vyžadujú vytvorenie a udržiavanie rotujúceho magnetického poľa na pohon rotora, ktorý zase poháňa mechanický pohyb. Magnetické pole rotora v motore je generované čerpaním jalového výkonu zo zdroja energie.

Podobne aj transformátory potrebujú jalový výkon na vytvorenie magnetického poľa v primárnom vinutí, čím sa indukuje napätie v sekundárnom vinutí.

Preto bez jalového výkonu:

Motory by sa netočili,

Transformátory nedokázali transformovať napätie,

AC stykače by sa nezapli.

Z toho je zrejmé, že jalový výkon zohráva podpornú úlohu pri premene a transformácii elektrickej energie. Bez jalového výkonu nemožno vytvoriť magnetické polia a elektrickú energiu nemožno premeniť na mechanickú energiu.

 

III. Ako vykonať kompenzáciu jalového výkonu a vypočítať výšku kompenzácie?

Vyššie sme spoločne analyzovali úlohy a nevýhody jalového výkonu. Hlavné nevýhody sú: po prvé, zvyšuje sa kapacita transformátorov a prierez{1}}prierezu vodičov, čo nepriamo zvyšuje náklady na projekt; po druhé, po prevádzke nesmie účinník klesnúť pod 0,9, inak bude dodávateľská spoločnosť ukladať pokuty.

Preto pri inžinierskom návrhu musíme túto otázku plne zvážiť. V systémoch napájania bez generátorov sa na zlepšenie účinníka rozvodní zvyčajne používajú paralelné kondenzátory. Princípom je lokálne dodávať jalový výkon, čím sa eliminuje potreba čerpať jalový výkon zo siete. Tento prístup nielen znižuje požadovanú kapacitu transformátorov, ale tiež zlepšuje účinník na strane merania.

 

(1) Výber metód kompenzácie kondenzátora

1. Pri použití bočných výkonových kondenzátorov ako zariadení na kompenzáciu umelého jalového výkonu, aby sa minimalizovali straty vo vedení a poklesy napätia, kompenzácia by mala byť vyvážená lokálne. To znamená, že jalový výkon v nízkonapäťových sekciách by mal byť kompenzovaný nízkonapäťovými kondenzátormi, zatiaľ čo jalový výkon vo vysokonapäťových sekciách by mal byť kompenzovaný vysokonapäťovými kondenzátormi-.

Ak nie je k dispozícii žiadne vysokonapäťové{0}}zaťaženie, odporové kondenzátory by nemali byť inštalované na vysokonapäťovej strane-.

Pri vykonávaní lokálnej individuálnej kompenzácie pre motor{0}}napájané zariadenia by menovitý prúd kompenzačného kondenzátora nemal prekročiť 0,9-násobok budiaceho prúdu motora.

Počas výpočtov elektrického zaťaženia by sa mal zahrnúť kompenzovaný jalový výkon.

2.Spínacie režimy pre banky kompenzačných kondenzátorov sú rozdelené na manuálne a automatické.

Manuálne prepínanie je vhodné pre kondenzátorové batérie kompenzujúce základný nízkonapäťový jalový výkon, ako aj pre vysokonapäťové kondenzátorové batérie so stabilným jalovým výkonom a zriedkavým prepínaním.

Aby sa predišlo nadmernej{0}}kompenzácii alebo nadmernému napätiu pri nízkej záťaži, ktoré by mohlo poškodiť určité elektrické zariadenia, odporúča sa automatické prepínanie.

Ak sú účinky vysoko{0}}a nízkonapäťových{1}}automatických kompenzačných zariadení podobné, mali by ste uprednostniť nízkonapäťové automatické kompenzačné zariadenia.

3. Metódy regulácie pre automatickú kompenzáciu jalového výkonu:

Pre kompenzáciu zameranú predovšetkým na úsporu energie možno na reguláciu použiť parametre ako jalový výkon.

V prípade nárazových záťaží, dynamicky rýchlo{0}}meniacich sa záťaží a trojfázových nevyvážených záťaží možno na ovládanie použiť tyristory (elektronické spínače), ktoré zaisťujú plynulú prevádzku bez nábehových prúdov, poskytujú dobrý dynamický výkon a umožňujú fázovo -segregované ovládanie pre troj{3}}fázové vyrovnávacie efekty.

4.Pri zoskupovaní kondenzátorov je potrebné zabezpečiť kompatibilitu s technickými parametrami podporných zariadení. Musí byť dodržaný povolený rozsah odchýlky napätia a malo by sa vyvinúť úsilie na zníženie počtu skupín a zároveň primerane zvýšiť kapacitu každej skupiny.

Prepínanie zoskupených kondenzátorov by nemalo vyvolať rezonanciu.

5. Vysokonapäťové kondenzátorové batérie by mali byť prednostne zapojené do série s tlmivkami primeranej veľkosti, zatiaľ čo nízkonapäťové kondenzátorové batérie by mali zvýšiť spínaciu kapacitu pomocou vyhradených spínacích stýkačov alebo tyristorov, aby sa znížili nárazové prúdy počas spínania.

Na vedeniach výrazne ovplyvnených harmonickými z elektrických zariadení by mali byť tlmivky zapojené do série s kondenzátorovými bankami.

 

(2) Výpočet kapacity kompenzácie kondenzátora

 

Cieľom je určiť požadovaný jalový výkon Qc (kvar) to