LABORATORIUM URZĄDZENIA I STACJE ELEKTROENERGETYCZNE. Badanie układu kompensacji mocy biernej

Transkrypt

1 LABORATORIUM URZĄDZENIA I STACJE ELEKTROENERGETYCZNE Badanie układu kompensacji mocy biernej

2 . Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z ideą stosowania kompensacji mocy biernej, poznanie jej pozytywnych jak i negatywnych skutków, a także przybliżenie sposobów kompensacji i urządzeń temu służących. 2. Wprowadzenie 2.. Moc bierna, czynna i pozorna, współczynnik mocy W sieciach energetycznych urządzenia elektryczne i odbiorniki pobierają energię elektryczną czynną i bierną. Odpowiadają temu pojęcia składowych czynnej i biernej prądu elektrycznego zgodnie z rysunkiem: Rys. 2. Składowe prądu elektrycznego Icz prąd czynny, Ib prąd bierny Energia elektryczna czynna jest wynikiem przemian energetycznych określonego surowca energetycznego i może być zamieniona w inna postać energii wykorzystywanej w urządzeniu przemysłowym. Moc czynna pobierana przez urządzenie z sieci zasilanej napięciem trójfazowym wyraża się wzorem: P = 3 U I cz Energia elektryczna bierna nie może być zamieniona w inna postać energii oraz użyteczną prace i występuje wyłącznie w obwodach prądu przemiennego, niemniej jednak jest ona konieczna do funkcjonowania urządzeń elektrycznych (jest potrzebna do wzbudzania zmiennych pól magnetycznych silników, magnesowania rdzeni transformatorów oraz ładowania pojemności linii przesyłowych napowietrznych i kablowych). Energia bierna przepływa pomiędzy źródłami i odbiorami prądu przemiennego i pobierają ja tylko idealne cewki i kondensatory, a pobór przez inne odbiorniki jest ograniczany (poprawa cosφ ). Moc czynną, bierną i pozorną można przedstawić graficznie w postaci trójka mocy (rys 2.2). Z trójkąta tego wynika, że cosφ jest stosunkiem mocy czynnej do pozornej. Rys. 2.2 Trójkąt mocy.

3 Wyróżnia się: - moc bierna indukcyjna, związaną z elementami indukcyjnymi np. silniki, piece indukcyjne, - moc bierna pojemnościową, związaną z kondensatorami lub długimi odcinkami kabli, będących pod napięciem. Moc bierna wyraża się wzorem: Jednostką mocy biernej jest var: Q = 3 U [ Q ] = var Suma geometryczna mocy czynnej i biernej nosi nazwę mocy pozornej: I b S 2 2 = Q + P = 3 U I Stosunek mocy czynnej do mocy pozornej nosi nazwę współczynnika mocy: λ = Przy zasilaniu napięciem i prądem sinusoidalnym współczynnik mocy równy jest cosinusowi kata fazowego miedzy prądem, a napięciem w danym punkcie sieci i dlatego często jest określany, jako tzw. cosφ P S cos ϕ Współczynnik mocy cosφ jest ogólnie przyjętym wskaźnikiem gospodarki energetycznej i parametrem odbiorników energii elektrycznej, chociaż bardziej przydatny przy bilansowaniu energii jest stosunek mocy biernej i czynnej urządzeń - tgφ. Q = P tgϕ Znamionowy współczynnik mocy cosφ jest to współczynnik mocy odbiornika energii elektrycznej przy znamionowych warunkach pracy. Jest on podawany w katalogach. Wpływ wartości współczynnika mocy na zmianę mocy biernej i pozornej, przy stałej mocy czynnej, przedstawia wykres: Rys. 2.3 Zależność poboru mocy biernej i pozornej przy stałym poborze mocy czynnej

4 2.2. Kompensacja mocy- wprowadzenie w zależności od współczynnika mocy Kompensacja mocy biernej polega na jej wytworzeniu w miejscu zapotrzebowania. Dzięki temu nie trzeba jej przesyłać od wytwórcy do odbiorcy, powoduje to zmniejszenie natężenia prądu w sieci, a co za tym idzie - zmniejszenie spadku napięcia i straty mocy w liniach przesyłowych. Jednak zmienność obciążenia w ciągu doby może doprowadzić do przekompensowania sieci, dlatego też ważny jest prawidłowy dobór mocy urządzeń kompensacyjnych (np. kondensatorów) do jej zmiennego zapotrzebowania. Źródłem mocy biernej są przede wszystkim generatory w elektrowniach. Wytwarzanie energii biernej niesie za sobą wiele negatywnych skutków zarówno dla dostawców energii, jak i dla jej odbiorców. Dostawcy energii elektrycznej rekompensują swoje straty poprzez narzucenie odbiorcom energii limitów mocy biernej, których przekroczenie wiąże się z poniesieniem dodatkowych opłat. W celu poprawy negatywnych skutków udziału mocy biernej stosuje się różne metody jej kompensacji, które dzielimy na: naturalne metody poprawy współczynnika mocy biernej właściwy dobór mocy silników do mocy urządzenia napędzanego, ograniczenie pracy jałowej silników i odbiorników, stosowanie przełącznika trójkąt gwiazda, stosowanie silników zwartych zamiast pierścieniowych a także szybkoobrotowych i unikanie silników wolnoobrotowych, zastępowanie dużych silników asynchronicznych silnikami synchronicznymi, należyta konserwacja i remonty silników, dobór mocy znamionowych transformatorów odpowiadających przewidywanym obciążeniom oraz wyłączenie transformatorów niedociążonych, wymiana trwale nieobciążonych silników na silniki o mniejszej mocy, metoda poprawy współczynnika mocy za pomocą urządzeń kompensujących (głównie kondensatory i baterie kondensatorów) Przepływ mocy biernej przez elementy systemu elektroenergetyce powoduje zwiększenie wartości prądów roboczych, czego następstwem są: zmniejszenie zdolności przesyłowej linii i transformatorów, zwiększenie strat wytwarzania i przesyła energii elektrycznej, zmniejszenie zdolności produkcyjnej mocy czynnej generatorów, a przez co konieczność stosowania urządzeń o większych prądach znamionowych, zwiększenie spadków napięcia. Z przedstawionych tutaj względów poprawa współczynnika mocy ma bardzo duże znaczenie Kondensatory do kompensacji mocy Urządzenia kompensujące w sposób sztuczny moc bierną, wykorzystują efekt wytwarzania mocy biernej przez kondensatory energetyczne. Głównym zadaniem kondensatorów jest poprawa współczynnika mocy w danym punkcie sieci do wartości wymaganej przez dostawce energii. Kondensatory energetyczne produkowane jako urządzenia do kompensacji mocy biernej maja wiele pozytywnych cech, można tu wymienić miedzy innymi: bardzo małe straty mocy czynnej na wytworzenie kvar mocy biernej (0,003 0,005 kw/kvar), możliwości tworzenia baterii kondensatorów o dowolnych mocach, małe rozmiary, a przez co niewielkie zapotrzebowanie na miejsce a także prosty

5 montaż i obsługa, możliwość instalowania w dowolnym punkcie sieci i praktycznie przy dowolnym napięciu znamionowym, budowa jednostek kondensatorowych o różnych napięciach i mocach znamionowych. Kondensatory nie są jednak pozbawione właściwości niekorzystnych, do których można zaliczyć: niewielkie moce znamionowe jednostek kondensatorowych, silna zależność mocy od napięcia, możliwość występowania przetężeń i przepięć przy załączaniu baterii oraz występowanie przepięć przy wyłączaniu, wrażliwość na występowanie wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym, zależność mocy od temperatury i częstotliwości. 3. Opis stanowiska laboratoryjnego 3. Regulator MRM 2 Mikroprocesorowe regulatory mocy biernej serii MRM 2 są nowoczesnymi urządzeniami przeznaczonymi do sterowania procesem automatycznej kompensacji mocy biernej, czego efektem jest poprawa współczynnika mocy cosφ. Układ pomiarowy regulatora śledzi z dużą dokładnością stan obciążenia sieci mocą bierną oraz określa jej charakter. Pomiar mocy dokonywany jest w układzie Aarona: prąd z fazy L (mierzony za pośrednictwem przekładnika prądowego) oraz napięcie międzyfazowe faz L2, L3. Informacja uzyskana w wyniku pomiaru zostaje przetworzona przez mikroprocesor, który po uwzględnieniu zaprogramowanych nastaw podejmuje decyzję o załączeniu lub wyłączeniu odpowiedniego kondensatora. Rys.3. Panel przedni regulatora MRM 2 C Objaśnienia oznaczeń: A. segment wskaźników sygnalizujących stan wyjść regulatora B. wyświetlacz cyfrowy na którym w zależności od trybu pracy urządzenia, wyświetlane są następujące informacje: aktualna wartość cosφ, prąd obciążenia wyrażany w %, bieżący czas

6 C. segment wskaźników określających aktualny stan sieci energetycznej w stosunku do nastaw regulatora D. segment wskaźników informujących o możliwości ustawienia wartości wybranego parametru podczas programowania regulatora E. klawiatura - trzy przyciski membranowe służące do obsługi regulatora F. wskaźnik informujący o stanie zegara 3.2. Schemat układu Rys.3.2. Schemat układu pomiarowego W - W4 wyłącznik obciążenia indukcyjnego, U - pomiar napięcia fazowego, A - pomiar natężenia prądu fazowego, P - pomiar mocy czynnej, cos pomiar współczynnika mocy Kondensatory zastosowane w układzie: C = 3,3 µf C2 =,84 µf C3 = 6,44 µf C4 = 3,05 µf C5 =,54 µf Obciążenie indukcyjne zastosowane w układzie: - W - R=35 Ω, L=869 mh, - W2 - R=35 Ω, L=98 mh, - W3 - R=29,5 Ω, L=675 mh, - W4 - R=26,8 Ω, L=62 mh,

7 4. Sposób przeprowadzenia pomiarów 4.. Wyznaczanie charakterystycznych wielkości układu odbiorczego bez kompensacji W trybie pracy ręcznej regulatora MRM-2 (z wyłączonym obciążeniem pojemnościowym), dla różnych obciążeń RL przeprowadzić pomiar: - napięcia, - prądu, - mocy czynnej - współczynnika cosφ, - mocy czynnej, a następnie obliczyć: - kąt φ - moc pozorną, - moc bierną - współczynnik mocy cosφo. Wyniki i obliczenia zanotować w tabeli Wyznaczanie charakterystycznych wielkości układu odbiorczego z kompensacją Dla stałego obciążenia RL w TRYBIE RĘCZNYM należy załączań kolejno kondensatory kompensujące C do C5. Wyniki i obliczenia zanotować w tabeli Wyznaczanie charakterystycznych wielkości układu odbiorczego bez kompensacji i z kompensacją mocy dla obliczonej pojemności kompensacyjnej W trybie pracy ręcznej regulatora MRM-2 dla zadanego obciążenia RL dokonać pomiarów napięcia, prądu, mocy, współczynnika mocy. Następnie wyliczyć pojemność potrzebną do skompensowania mocy biernej i nastawić za pomocą regulatora najbliższą obliczonej. Wykonać ponowny pomiar napięcia, prądu, mocy, współczynnika mocy i porównać wyniki. Wyniki i obliczenia zanotować w tabeli Programowanie regulatora MRM 2 Rodzaje pracy regulatora: Tryb: praca automatyczna Wyświetlacz: - aktualna wartość cosφ wyświetlana jest stale jako trzycyfrowy ułamek dziesiętny. W przypadku, gdy obciążenie sieci ma charakter indukcyjny, wartości wyświetlane są w sposób ciągły, zaś w przypadku, gdy obciążenie ma charakter pojemnościowy, w sposób pulsacyjny, - procent prądu nominalnego przekładnika prądowego (% I), - bieżący czas. Klawiatura: przytrzymanie przycisku (wybór) przez ok. 3 s spowoduje przejście do trybu programowania urządzenia, co sygnalizowane jest pojawieniem się na wyświetlaczu napisu prog - naciśnięcie przycisku + i przytrzymanie przez 3 s spowoduje przejście do trybu przeglądania wszystkich nastaw urządzenia.

8 Programowanie regulatora:. Nacisnąć i przytrzymać klawisz przez około 3 sekundy regulator przejdzie w tryb programowania prog. 2. Kolejne naciskanie przycisku powoduje zaświecenie się umieszczonych na płycie czołowej diod. Opis przy świecącej diodzie informuje jaki parametr może być w danej chwili ustawiany. 3. Naciskając przycisk należy przejść do ustawień cos φ (dioda przy oznaczeniu cos powinna świecić). Parametr ten ustala zadany współczynnik mocy do którego dążyć będzie regulator w procesie załączenia baterii. 4. Naciskając kolejno przycisk należy przejść do trybu PRACA RĘCZNA. Po wejściu w tryb pracy ręcznej przytrzymanie przycisku (wybór) z jednoczesnym impulsowym wciśnięciem przycisku + lub zwiększa lub zmniejsza wyświetlaną liczbę. Liczba ta jest poprzedzona literą C i oznacza numer stopnia, którego stan można zmieniać. Następnie używając przycisków + lub, ale już bez przycisku (wybór), można odpowiednio załączyć lub wyłączyć określony stopień baterii. W trybie tym można dowolnie (patrz uwaga!!!) modyfikować stan wybranych stopni. Pozwala to na dobranie w trybie pracy ręcznej takiej wartości mocy baterii, aby stałe obciążenie zostało skompensowane. Próba ustawienia na wyświetlaczu stopnia C 0 lub o jeden większego od liczby aktywnych stopni zaprogramowanych w danym regulatorze spowoduje opuszczenie trybu pracy ręcznej. UWAGA!!! W stanie tym działa blokada włączenia kondensatora nierozładowanego, co oznacza, że regulator w trybie pracy ręcznej uwzględnia czas konieczny na rozładowanie wyłączonego kondensatora (nie jest możliwe ponowne załączenie wyłączonego kondensatora przed upływem ustawionego czasu jego rozładowania) ustawienie fabryczne czasu zwłoki to 45 s. 5. Wyjście z trybu pracy ręcznej powoduje przejście do trybu pracy automatycznej. TYPOWE BŁĘDY PODŁĄCZENIA Objaw regulator po uruchomieniu załączył wszystkie stopnie baterii, zielona dioda ZAŁ świeci się dalej, mimo, że liczniki energii wskazują, że już doszło do prze kompensowania. regulator ciągle wskazuje na wyświetlaczu wartość około 0,4 lub 0,98 bez żadnego związku ze zmianami obciążenia. Przyczyna a) błędne podłączenie fazy na zaciski L2 lub L3 regulatora. b) zasilanie baterii znajduje się przed przekładnikiem prądowym (patrząc od strony transformatora). Przekładnik prądowy mierzy prądy urządzeń odbiorczych, ale nie mierzy prądu baterii kondensatorów. Objaw 2 na regulatorze świeci się czerwona dioda LED WYŁ. Żaden stopień baterii nie jest załączony. Przyczyna a) napięcie na zaciskach L2 i L3 regulatora podłączone jest niezgodnie kierunkiem wirowania. Należy zamienić na dolnym wtyku regulatora przewody dochodzące do zacisków L2 i L3. b) należy zamienić na dolnym wtyku kolejność podłączeń S i S2.

9 4.5. Automatyczna kompensacja mocy biernej w układzie o zmiennym obciążeniu Dla warunków jak w punkcie 4.3, należy sprawdzić dobór pojemności w TRYBIE AUTOMATYCZNYM regulatora MRM 2. Porównać wyniki pomiarów przy wartościach dobranych przez użytkownika z wynikami otrzymanymi w wyniku automatycznej kompensacji mocy biernej. Wyniki i obliczenia zanotować w tabeli Opracowanie sprawozdania W sprawozdaniu należy: - wykonać obliczenia w tabelach,2,3,4; - narysować wykresy wskazowe mocy ilustrujące wpływ obciążenia R i L (punkt 4..), wyjaśnić wpływ obciążenia RL na pobieraną moc, - narysować charakterystyki P,Q,S = f ( cos φ ) dla pomiarów z pkt.4., wyjaśnić przebieg wyznaczonych charakterystyk, - narysować wykresy wskazowe mocy ilustrujące wpływ pojemności na stałe obciążenie RL (pkt. 4.2), wyjaśnić otrzymane wykresy, - narysować wykres wskazowy mocy dla obciążenia bez kompensacji i z kompensacją (pkt. 4.3), wyjaśnić otrzymane wykresy, - porównać kompensację z ręcznym doborem pojemności i automatycznym (pkt. 4.5), - dokonać oceny (podać wady i zalety) samoczynnej kompensacji mocy biernej przy zastosowaniu regulatora MCM -2; - uzasadnić słuszność stosowania nowoczesnych rozwiązań w kompensacji mocy biernej. Oznaczenia: U - napięcie fazowe sieci zasilającej (wskazanie woltomierza V) I - prąd pobierany z sieci P wskazania watomierza W L obciążenia indukcyjne, C pojemność załączonych kondensatorów cosφz współczynnik mocy odczytany z regulatora mocy P moc czynna układu S - moc pozorna układu Q moc bierna układu cosφ0 obliczony współczynnik mocy Co obliczona pojemność dla mocy Q = 0 C pojemność nastawiona na regulatorze MRM 2 φ przesunięcie fazowe Wzory: S = U I

10 P = U I Q = U I P cos ϕ = U I C cosϕ sinϕ o = = 2 ω L P S

11 Tabela. Lp Pomiar R=. Obliczenia U I P L cosφz φ S Q cosφo [ V ] [ A ] [ W ] Wx - [ VA ] [var] - R Tabela 2. Lp. Pomiar R=. Obliczenia U I P L C cosφz φ S Q cosφo [ V ] [ A ] [ W ] Wx Cx - [ VA ] [var] R

12 Tabela 3. Pomiar R=. Obliczenia Lp. U I P cosφz L C C Co S Q cosφo [ V ] [ A ] [ W ] - Wx Cx [uf] [uf] [ VA ] [var] Tabela 4. Pomiar R=. Obliczenia Lp. U I P cosφz L C C Co S Q cosφo [ V ] [ A ] [ W ] - Wx Cx [uf] [uf] [ VA ] [var]