V súčasnom elektrotechnickom priemysle je pochopenie a optimalizácia energetickej bilancie kľúčové pre efektívnu prevádzku. Jedným z dôležitých aspektov, ktorý priamo ovplyvňuje prenos elektrickej energie a celkovú efektivitu, je tzv. brzdový účiník, presnejšie účinník. Nesprávne pochopenie alebo zanedbanie tejto problematiky môže viesť k značným energetickým stratám a zvýšeným prevádzkovým nákladom. Tento článok sa podrobne zameria na koncept účinníka, jeho vplyv na elektrické siete a rôzne metódy jeho kompenzácie, od jednotlivých spotrebičov až po komplexné systémy pre celé závody.
Vplyv Účinníka na Prenos Elektrickej Energie
Pri prenose trojfázového výkonu, napríklad 100 kW v sieti 3x380/220 V pri účinníku cos φ=0,9, bude vo fázovom vodiči prúd približne 169 A. Avšak, ak sa účinník zníži na cos φ=0,6, prúd vo fázovom vodiči stúpne na 253 A, čo predstavuje nárast o 50 percent. Tento jav má priame dôsledky na strane elektrárne. Elektráreň musí generovať tzv. zdánlivý výkon, ktorý je definovaný vzťahom Pva = 1,73 * Us * I, kde Us je napätie v sieti a I je prúd. Pri nižšom účinníku je potrebný vyšší prúd, a teda aj vyšší zdánlivý výkon, čo vedie k zvýšenej spotrebe uhlia a pary v elektrárni.
Vyšší prúd vo vodičoch si vyžaduje použitie vodičov s väčším prierezom, čo znamená vyššiu potrebu sieťového a inštalačného materiálu. Okrem toho, pri prenose väčšieho prúdu vznikajú vo vedení aj väčšie straty, ktoré sa premieňajú na neužitočné teplo. Tieto straty rastú s druhou mocninou prúdu, podľa vzorca Pz = I² * R, kde R je odpor vodiča rozvodu. Týmto spôsobom sa znižuje celková účinnosť prenosu elektrickej energie.
V elektrických rozvodoch vzniká okrem činného výkonu aj tzv. jalový výkon. Ten je spôsobený magnetizačnými účinkami striedavého prúdu, ktoré sú nevyhnutné pre činnosť indukčných spotrebičov, ako sú motory alebo transformátory. Jalový výkon sa síce nepremieňa na užitočnú prácu, ale cirkuluje medzi generátorom a spotrebičom, čím zaťažuje sieť.
Kompenzácia Jalového Výkonu: Riešenie Problému
Složku jalového prúdu je možné zmenšiť tzv. kompenzáciou. Kompenzácia je proces, ktorého cieľom je vyrovnať alebo eliminovať negatívne účinky jalového výkonu v elektrickej sieti. Spočíva v tom, že sa do miesta, kde je veľká spotreba magnetizačného prúdu (indukčná záťaž), zapojí kondenzátor. Kondenzátory generujú kapacitný jalový výkon, ktorý pôsobí proti indukčnému jalovému výkonu spotrebičov.
Pochopenie účinníka a základov kompenzácie jalového výkonu
Keď sa kondenzátor v jednej štvrtine periódy vybíja, predáva svoju energiu spotrebiču (motoru alebo transformátoru), ktorá sa spotrebuje na magnetizáciu. V ďalšej časti periódy sa magnetická energia mení späť na elektrickú, ktorou sa kondenzátor opäť nabije. Jalový prúd kondenzátora a magnetizačný prúd sa tak neustále vzájomne dopĺňajú. Pred kompenzáciou dodával jalovú energiu generátor, po kompenzácii túto dodávku preberá na seba kondenzátor. Tým je generátor odbremenený od jalového prúdu a rozvodom sa dá preniesť väčší činný výkon.
Po zlepšení účinníka je možné daným prierezom vodičov preniesť väčší výkon a zlepší sa celková energetická bilancia ako v elektrárni, tak aj u odberateľa. V mieste odberu sa však zvyčajne nekompenzuje až na cos φ=1, pretože by to mohlo viesť k prekompenzovaniu a zvýšeniu napätia. Hospodárna kompenzácia sa pohybuje v rozmedzí cos φ = 0,9 až 0,95. Keby sa jalový odber prekompenzoval, mohlo by dôjsť k zvýšeniu napätia v oblasti kompenzácie, ktoré môže presiahnuť aj 10 percent.
Metódy Kompenzácie Jalového Výkonu
Existuje niekoľko spôsobov, ako realizovať kompenzáciu jalového výkonu, ktoré sa líšia v rozsahu a spôsobe aplikácie:
a) Jednotlivá Kompenzácia
Jednotlivá kompenzácia sa zameriava na kompenzáciu jalového výkonu priamo pri konkrétnom spotrebiči.
Kompenzácia transformátorov: V združených transformovniach býva kondenzátor umiestnený v blízkosti hlavného rozvádzača. Z dôvodu možného skratu v kondenzátore je vhodné umiestniť kondenzátorovú batériu do samostatného priestoru. Pri vonkajších transformovniach sa používajú kondenzátory určené na vonkajšiu montáž, ktoré sa umiestňujú na konzolu pripevnenú na konštrukciu stožiara. Kondenzátory pre stožiarové transformovne sa pripájajú cez poistky, avšak bez vypínača, priamo na sekundárne svorky.
Pri vypnutí transformátora na strane vysokého napätia sa kondenzátor vybije cez sekundárne vinutie transformátora, preto nie sú potrebné vybíjacie odpory. V praxi sa veľkosť kondenzátora volí ako 5 až 10 percent menovitého výkonu transformátora. Pre väčší výkon transformátora sa volí menšie percento. Celkový výkon kondenzátorovej batérie sa dosiahne ich paralelným spojením (C_celkový = C1 + C2 + … + Cn).
Kompenzácia motorov: Jednotlivé motory sa kompenzujú zvyčajne od výkonu 10 kW, a to len tie motory, ktoré sú dlhšiu dobu (aspoň 5 hodín) trvalo v prevádzke. Kondenzátor sa pripája medzi vypínač k motoru a motorovú svorkovnicu. Pri vypnutí motora sa kondenzátor vybije cez vinutie motora, nie sú teda potrebné vybíjacie odpory. Motor je chránený ističom alebo poistkami, a preto sa kondenzátor nechráni vlastnými poistkami. V praxi sa veľkosť kondenzátora [kVAr] volí približne 1/3 štítkového výkonu motora udaného v [kW].
Je dôležité pravidelne, niekoľkokrát do roka, merať na každom kondenzátore prúd vo všetkých fázach a tiež svorkové napätie, aby sa odhalili prípadné skryté poruchy, ktoré by mohli vyradiť kondenzátor z činnosti.
b) Skupinová Kompenzácia
Skupinová kompenzácia sa vykonáva pre niekoľko spotrebičov s jalovým odberom, obvykle na ich spoločnom miestnom rozvádzači. Veľkosť kondenzátorovej batérie nie je súčtom kondenzátorov pre jednotlivú kompenzáciu, pretože by buď nedostačovala, alebo by mohlo dôjsť k prekompenzovaniu. Na určenie veľkosti kondenzátora je potrebné poznať činné zaťaženie [kW] a účinník (cos φ) pred kompenzáciou. Pomocou fázomera je možné plynule sledovať veľkosť účinníka a podľa potreby doplniť kondenzátory.
Príklad: Ak bol za hodinu činný odber 366 kWh a jalový 274 kVAr, pomer kVAr/kWh = tg φ = 0,75. Tomu zodpovedá uhol 37° a cos φ = 0,79. Ak sa zistený cos φ = 0,72 má zlepšiť na cos φ = 0,94 pre kompenzovanú skupinu spotrebičov s výkonom 230 kW, potrebný výkon kompenzácie je Pq = k * P = 0,6 * 230 = 138 kVAr, kde koeficient 0,6 sa odčíta z tabuľky na prieniku hodnôt 0,72 a 0,94. Pri skupinovej kompenzácii nie sú prívody k motorom odľahčené od jalového výkonu.
c) Ústredná Kompenzácia
Ústredná kompenzácia sa robí pre celý závod. Kondenzátory môžu byť pripojené buď na hlavnom rozvádzači, alebo v mieste najväčšej spotreby jalového prúdu. Aby pri ústrednej kompenzácii nemusela byť stála ručná obsluha, volia sa samočinné regulátory účinníka, napríklad regulátory jalového výkonu.
Samočinné regulátory typu WOR (alebo podobné) sú vyrábané v rôznych veľkostiach pre rôzny počet regulačných stupňov. Počet regulačných stupňov nezávisí priamo od veľkosti jalového výkonu, ale skôr od rovnomernosti v odberoch. Tam, kde je denný odber rovnomerný, postačia dva regulačné stupne. Bežne vyhovuje štvortupňový regulátor.
Riadiaci článok takýchto regulátorov je zvyčajne založený na princípe merania jalového výkonu a obsahuje časový článok a sústavu pomocných relé, ktoré pripínajú alebo odpínajú kondenzátory k sieti podľa potreby. Otočná časť meracieho článku je udržiavaná v strednej polohe momentom dvoch protismerných pružín a nesie voliací kontakt, ktorý sa pohybuje medzi odpruženými kontaktmi dvoch nastaviteľných ramienok. Poloha ramienok určuje regulačné rozmedzie najväčšieho a najmenšieho jalového výkonu.
Pri indukčnom zaťažení siete sa sústava vychýli doprava, pri kapacitnom zaťažení doľava. Prekročí-li hodnota meraného jalového výkonu hranice nastaveného rozmedzia, zatvoria sa kontakty a časový článok dostane napätie. Kotúč časového článku sa začne otáčať a cez prevodový mechanizmus ovláda kontaktné zariadenie pre spínanie pomocných relé. Pri pripínaní kondenzátorov sa kotúč otáča v smere hodinových ručičiek, pri odpínaní v opačnom smere.
Pre správnu činnosť regulátora je potrebné dodržať správne zapojenie meracích transformátorov prúdu a napätia a tiež ich polaritu. Regulátor má zvyčajne dva meracie rozsahy, ktoré sa nastavujú posúvaním ukazovateľov. Pri určovaní veľkosti kondenzátorov pre kompenzáciu jalového výkonu transformátora sa často používa približne 5 percent menovitého výkonu transformátora.
V prípade, že trvalý prúd cievok stykačov prekračuje vypínaciu schopnosť kontaktov regulátora, je potrebné zaradiť ešte pomocné relé. Úplné zariadenia pre automatickú kompenzáciu jalového výkonu sú vyrábané v typizovaných skriniach, ktoré obsahujú odpojovač, prípojnice, poistky, pomocné relé a riadiaci rýchloregulátor. Riadiacim článkom rýchloregulátora je trojsystémový elektromer upravený na spôsob jalového relé. Spínací čas potrebných regulačných stupňov je tiež nastaviteľný.
V jednom kompenzačnom poli môže byť napríklad osem kondenzátorov po 10 kVAr, čo predstavuje celkový jalový výkon 80 kVAr. Niekoľko kompenzačných polí tak dokáže pokryť požadovaný jalový výkon. Pri meraní spotreby na strane vysokého napätia a kompenzácii jalového výkonu na strane nízkeho napätia sa jalový výkon transformátora kompenzuje samostatným kondenzátorom.
Kompenzácia účinníka (skratka PFC z anglického Power Factor Correction) je proces, ktorý posúva fázu vstupného prúdu vzhľadom k napätiu. Upravuje sa účinník, ktorý je u zariadení bez PFC obvodu zvyčajne 0,75, na hodnoty 0,95 - 0,99. Ideálny účinník je 1, čo znamená, že napätie a prúd sú vo fáze a záťaž je čisto odporová.
Existujú rôzne typy PFC obvodov. Jeden z najpoužívanejších je realizovaný jednoduchým kapacitným filtrom na vstupe, ktorý vyrovnáva nelinearitu účinníka. Drahší typ je realizovaný niekoľkými obvodmi a kompenzuje účinník na viac ako 0,95. Cieľom je minimalizovať straty a maximalizovať efektivitu prenosu elektrickej energie.