Ae4 Optim Parametr Electrici

Optimizarea parametrilor electrici intr-un proces tehnologic Instalatia de reglare este constituita dintr-un ansamblu de elemente si echipamente care permit conducerea procesului tehnologic pe baza principiului anularii abaterilor dintre informatiile necesare si cele reale. Instalatiile de reglare (echipamente de reglare) ER sunt atasate instalatiilor tehnologice IT, formand impreuna sistemele de reglare automata SRA. Echipamentul de reglare ER este compus in principal din traductoare, regulatoare si elemente de executie. Traductoarele transforma marimile preluate de IT in marimi comparabile cu elementele ER. Regulatoarele realizeaza efectiv reglarea, dupa o anumite lege. Elementele de executie asigura transmiterea si conversia informatiilor spre IT.

1. Instalatii pentru reglarea factorului de putere Instalatiile de reglare, respectiv reglarea diversilor parametri tehnologici se poate efectua neliniar sau liniar. Reglarile neliniare sunt bipozitionale (in jurul unei valori) si tripozitionale (intre doua limite). Reglarile liniare sunt in mod obisnuit continue si pot fi de tip proportional P, integral I, proportional-integral PI, proportional-derivativ PD si proportional-integral-derivativ PID. Intotdeauna se are in vedere atat obtinerea unor indicii de calitate (stabilitate, suprareglare, grad de amortizare, durata regimului tranzitoriu etc.) care sa raspunda cerintelor impuse cat si obtinerea unui pret de cost competitiv. In continuare se prezinta principiile care stau la baza obtinerii reglarii unui parametru care apare mai frecvent in instalatii si anume factorul de putere. Intocmirea schemelor are la baza standardeleindicate in cataloagele de produse si manualele de instructiuni aflate la: Intreprinderea de elemente de automatizare Bucuresti, Intreprinderea de elemente pneumatice si aparate de masurat Barlad etc. Reglarea factorului de putere are la baza utilizarea unui regulator ce conecteaza la retea in trepte (de obicei inegale), condensatoarele ce realizeaza imbunatatirea factorului de putere. Codul cu numar minim de trepte ar fi 1, 2, 4, 8, etc. practic nu este utilizat acest cod deoarece diferenta intre curentul nominal al contactorului ce lucreaza pe treapta de pondere 1 si cel de pe treapta de pondere 8 este foarte mare (nu exista contactoare de curenti atat de mari si nu este recomandabil pentru o retea sa se comute 55

puteri capacitive prea mari). Din aceste motive, codul folosit pentru conectarea treptelor bateriilor de condensatoare cu cinci trepte inegale este de tipul 1, 2, 4, 4, 4, 4 (fig. 1). Se observa ca acest cod este echivalent cu un sistem de 15 trepte egale, avand avantajul ca are in componenta cinci contactoare (K1..K5) in loc de 15. Elementele componente din schema monofilara pentru reglarea factorului de putere din figura 1 sunt: separatoarele Q1..Q5, grupurile de sigurante fuzibile F0..F5, contactoarele K1..K5, transformatoarele de intensitate CIS 0,5, condensatoarele C1..C15 utilizate pentru imbunatatirea factorului de putere, rezistentele de descarcare Rd1..Rd5 formate din lampi incandescente, ampermetrele A si blocul de comanda automata BCA (regulator ce lucreaza cu baterii de condensatoare cu numar de trepte inegale si este produs la intreprinderea electrotehnica). Semnalul de comanda pentru BCA este puterea reactiva masurata de blocul traductor la punctul unde se face compensarea consumatorului cu bateria de condensatoare (barele de 0,4 kV ale posturilor de transformare). Blocul traductor prin masurarea tensiunii si curentului retelei da la iesire un semnal de tensiune proportional cu valoarea curentului reactiv in punctul compensat care se compara cu un semnal de referinta in functie de care se dau comenzi pentru conectarea bateriilor de condensatoare. Cand puterea reactiva masurata este mai mare ca puterea unei trepte a bateriei de condensatoare, BCA incepe sa functioneze. Daca puterea reactiva masurata este mai mare ecat puterea reactiva a treptei cu ponderea 1, BCA va comanda conectarea treptelor cu ponderea 1 si 2.

2. Instalatii pentru ameliorarea factorului de putere Sistemul energetic national (SEN) al Romaniei este caracterizat prin: - dezvoltarea centralelor de mare putere su concentrarea lor in apropierea rezervoarelor de energie primara; - transmiterea la distanta a puterilor prin retele de inalta si foarte inalta tensiune (110, 220 si 400 kV, iar in viitorul apropiat si 750 kV); - realizarea unor trepte succesive de transformare intre centralele electrice si consumatori. In conditiile acestor caracteristici structurale, consumul total de putere reactiva pe ansamblul sistemului energetic national este, la varf de sarcina practic egal cu consumul de energie activa, ceea ce a determinat luarea unor masuri menite sa conduca la utilizarea rationala a energiei electrice si la conservarea resurselor de energie primara. Una din aceste masuri, cu

56

implicatii favorabile din punct de vedere tehnico-economic, este ameliorarea factorului de putere. Factorul de putere intr-un circuit electric de curent alternativ este definit de raportul: K = cos ϕ =

P = S

P

≤1,

P +Q2 + D2 2

in care: P este puterea activa; Q – puterea reactiva; D – puterea deformanta; S – puterea aparenta; ϕ - unghiul de defazaj dintre fazorii curentilor si tensiunilor pe cele trei faze ale circuitului electric. In regim sinusoidal monofazat sau trifazat simetric: K = cos ϕ =

P = S

P P +Q2 2

,

ceea ce rezulta si din diagrama puterilor (fig.2). Din relatiile de mai sus se remarca faptul ca pentru aceeasi putere activa, factorul de putere creste pe masura ce scade puterea reactiva. In practica se utilizeaza valoarea medie ponderata a factorului de putere intr-un interval de timp dat, care se exprima prin relatia: cos ϕmed =

W W + Wr2 + Wd2 2

≤1,

T

in care

W = ∫ Pdt

T

este energia activa, in [W];

0

Wr = ∫ Qdt

este energia

0

T

reactiva in var h;

Wd = ∫ Ddt

este energia deformanta in var h.

0

Din relatiile de mai sus rezulta ca in instalatiile electrice de utilizare de curent alternativ, scaderea factorului de putere se datoreste circulatiei puterilor reactiva si deformanta, ceea ce conduce la concluzia ca factorul de putere maxim cos ϕ =1 se poate obtine numai in cazul cand Q=D=0. Nivelul de compensare care trebuie realizat pentru puterea preluata din SEN corespunde valorii factorului de putere neutral. Prin factor de putere neutral se intelege valoarea minima a factorului de putere pe care trebuie sa o realizeze un consumator pentru a fi scutit de plata energiei reactive. Valoarea factorului de putere neutral este de minim 0,92.

2.1. Cauzele si efectele scaderii factorului de putere 57

Elementele din circuitele electrice se impart in receptoare de putere reactiva (motoarele asincrone, transformatoare, masini sincrone subexcitate, cuptoare electrice cu arc sau cu inductie, lampi cu descarcari, linii electrice cu caracteristica inductiva) si generatoare de putere reactiva (masini sincrone supraexcitate, condensatoare statice, linii electrice in cablu avand caracter capacitiv). In general, puterea reactiva absorbita in cadrul marilor unitati industriale se datoreste motoarelor asincrone in proportie de 70%, transformatoarelor in proportie de 20%, restul de 10% datorandu-se liniilor electrice, aparatelor de inductie, lampilor cu descarcari etc. Motoarele asincrone absorb o putere reactiva ce se determina cu relatia: Q=

B2 ⋅ f ( µ r ⋅ V0 + V ) , 4 ⋅ µ0 ⋅ µr

in care: B – inductia magnetica; f – frecventa; µ0 - permeabilitatea intrefierului; µr - permeabilitatea relativa a miezului magnetic; V0 volumul intrefierului; V – volumul circuitului magnetic. In cazul transformatoarelor, valoarea puterii reactive absorbita se stabileste cu expresia: Q=

B2 ⋅ f ⋅v 4 ⋅ µ0 ⋅ µr

,

in care s-au utilizat aceleasi notatii ca si in cazul relatiei anterioare. Factorul de putere scazut produce o serie de efecte negative asupra functionarii sistemului energetic national. Principalele consecinte sunt aratate in continuare: a) Supradimensionarea instalatiilor de producere, transport si distributie a energiei electrice si implicit cresterea valorilor de investitii. Deoarece: I =

P 3 ⋅ U n ⋅ cos ϕ

rezulta ca pentru o aceeasi putere activa, odata cu cresterea factorului de putere creste curentul, ceea ce conduce la majorarea dimensiunilor elementelor instalatiei. b) Cresterea pierderilor de putere activa. Pierderile de putere in conductoarele unei linii electrice trifazate sunt date de relatia: ∆P = 3RI 2 =

R 2 RP 2 r S = = 2 2 2 2 U U cos ϕ U

P2 r = 2 (P 2 + Q 2 ) 2 P U , 2 2 P +Q

din care se constata ca pierderile de putere variaza direct proportional cu patratul puterii reactive si invers proportional cu patratul factorului de putere. 58

c) Scaderea capacitatii de incarcare a instalatiilor cu putere activa. Din

triunghiul puterilor rezulta: . Pentru o putere aparenta constanta, odata cu cresterea puterii reactive Q scade valoarea puterii active P. d) Cresterea pierderilor de tensiune in instalatii. In afara scaderii capacitatii de incarcare a instalatiilor, puterea reactiva produce si pierderi de tensiune suplimentare fata de cele produse de puterea activa: P 2 = S 2 −Q 2 ⇒ P =

∆U = RI cos ϕ + XI sin ϕ =

S 2 −Q 2

R X RP + XQ P+ Q= U U U

.

Din acesta relatie se vede ca, odata cu cresterea valorii lui Q, creste numaratorul fractiei si implicit valoarea pierderilor de tensiune, ceea ce conduce in final la necesitatea supradimensionarii instalatiilor.

2.2. Ameliorarea factorului de putere Ameliorarea factorului de putere se realizeaza prin diverse metode care se pot grupa in doua categorii: - Metode tehnico-organizatorice care constau in aplicarea unor masuri de rationalizare a exploatarii, cu cheltuieli reduse su fara prevederea unor instalatii suplimentare; - Metode de compensare a puterii reactive prin mijloace specializate. Indiferent de metoda folosita, imbunatatirea factorului de putere se face pe seama reducerii puterii reactive consumate si implicit a micsorarii unghiului de defazaj dintre curent si tensiune, din care rezulta ca puterea instalatiei de compensare este: Qc = Q1 − Q2 [kvar]

Qc

Se constata ca zero si valoarea puterii reactive inainte de compensare

59

poate varia intre Q1 .

2.2.. Metode tehnico-organizatorice (naturale) Înlocuirea motoarelor asincrone subîncărcate, care funcţionează cu un factor de putere scăzut prin motoare asinerone de putere mai mică, încărcate cit mai aproape de valoarea nominală. Puterea reactivă absorbită de un motor asincron se poate exprima prin relaţia: Q ( β ) = Q0 + β 2 (Qn − Q0 ) P in care β = P - coeficientul mediu anual de încărcare a motorului; Qn n

— consumul de putere reactivă pentru β =1 ; Q0 — consumul de putere reactivă pentru funcţionarea în gol, cînd β = P = 0 . La mersul în gol Q0 med ≈ 0,7Qn , ceea ce arată că puterea reactivă cerută de un motor asincron variază puţin cu sarcina. In schimb, aşa după cum rezultă din figura din stanga factorul de putere variază sensibil cu sarcina.

Reducerea duratelor de funcţionare in gol a maşinilor unelte La mersul în gol al motoarelor de antrenare apar atît pierderi de putere activă cît şi de putere reactivă (circa 75% din puterea reactivă consumată la sarcina nominală). Pentru durate de .mers în gol mai mari de 10 secunde se recomandă montarea unor limitatoare automate de mers în gol care comandă acţionarea întreruptorului principal pentru deconectarea receptorului de la reţea.

60

In figura din stanga este redată schema electrică a limitatorului de mers în gol fabricat de întreprinderea Electroaparataj. Aparatul poate fi alimentat la tensiunea de 220 sau 24 Vc. a. La bornele 6 şi 7 ale limitatorului aflîndu-se un contact normal închis, la pornirea utilajului contactorul poate fi închis. La bornele 2 şi 4 se conectează un contact normal deschis al unui contactor Ct din schema de comandă a utilajului care rămîne închis cît ambreiajul electromagnetic al utilajului este cuplat, În felul acesta limitatorul va produce deschiderea contactului Ct după o temporizare de 30 – 1 20 secunde sau 120 – 300 secunde, care poate fi reglată cu ajutorul unui potenţiometru. Dezavantajul acestui aparat constă în faptul că temporizarea la valoarea reglată nu corespunde cu precizie regimului de lucru al maşinii unelte. Folosirea motoarelor sincrone in locul celor asincrone de puteri mari. Motoarele sincrone se folosesc de regulă în cazul puterilor ce depăşesc lOOkW şi la care nu este necesară modificarea turaţiei. Deşi au dezavantajul unui cuplu de pornire unic, ele au în schimb avantajul de a genera energie reactivă care compensează energia reactivă consumată de motoarele asincrone.

61

62