Factorul de putere si economia de energie electrica

Factorul de putere si economia de energie electrica

In cazul general al instalatiilor de tensiune alternativa in regim nesinusoidal mo­no­fa­zat, valoarea instantanee a factorului de putere l_P rezulta din relatia de definitie:

. (1.22)

In relatia (1.22) s-a notat cu P puterea activa, Q ‑ puterea reactiva, D ‑ puterea deformanta, S ‑ puterea aparenta iar este puterea fictiva.

In regim sinusoidal (D = 0, P   0, F = Q   0), pentru circuite monofazate sau trifazate incarcate simetric, la care valorile tensiunilor si curentilor pe cele trei faze ca si defazajele intre fazorii corespunzatori sunt identice, factorul de putere l_P este egal cu cosinusul unghiului de defazaj dintre curbele tensiunii si curentului electric. In acest caz, relatia (1.29) devine:

(1.23)

Pentru cazul general al regimului nesinusoidal, relatia (1.22) poate fi scrisa si sub forma:

(1.24)

unde factorul cosx

(1.25)

intervine datorita regimului nesinusoidal. Se poate observa, din relatia (1.31), faptul ca in regim nesinusoidal factorul de putere nu poate fi unitar.

In cazul circuitelor trifazate nesimetrice, defazajele dintre curbele de tensiune si curent electric difera pe cele trei faze si deci factorul de putere l_PT corespunde unui defazaj fictiv:

(1.26)

unde P_T = P_A + P_B + P_C si S_T = S_A + S_B + S_C reprezinta suma puterilor active si respectiv suma puterilor aparente pe cele trei faze A, B si C ale retelei trifazate.

In practica este determinata valoarea medie ponderata pe un anumit interval de timp (de obicei, intervalul de facturare) a factorului de putere trifazat, pe baza valorilor [v1] inregistrate, pe acelasi interval de timp, a energiei active W_T (indicatia contorului tri­fa­zat de energie activa) si a energiei reactive W_Tr (indicatia contorului trifazat de energie reactiva):

(1.27)

Pentru limitarea perturbatiilor determinate de circulatia in reteaua electrica a pu­te­ri­lor reactive, se impune ca factorul de putere care defineste functionarea unui con­su­ma­tor sa nu scada sub factorul de putere neutral. Acesta are o valoare dependenta de con­figuratia locala a retelei electrice si este precizat, pentru fiecare consumator in parte, in contractul de furnizare a energiei electrice. Uzual, factorul de putere neutral are va­lori de 0,92 0,93. Functionarea cu un factor de putere sub cel neutral se penalizeaza prin sistemul de tarifare a energiei electrice.

Determinarea factorului de putere pe baza relatiei (1.27), intalnita inca in multe ca­zuri, datorita variatiei in timp a sarcinii, poate conduce la un moment dat, la in­tro­du­cerea in reteaua electrica de alimentare a unor importante perturbatii, desi pe intervalul de masurare factorul de putere l_PTmed indeplineste conditia de a fi egal cu factorul de pu­tere neutral.

Adoptarea de masuri pentru mentinerea factorului de putere al unui consumator in limitele impuse, plecand de la relatia (1.27) poate fi acceptata numai in intreprinderile cu o sarcina constanta pe intervale mari de timp.

Sistemele moderne de achizitie de date permit determinarea valorii factorului de pu­tere pe baza puterilor masurate si adoptarea, in timp real, de masuri pentru men­ti­ne­rea factorului de putere in limitele impuse. In acest caz se determina factorul de putere trifazat l_PT pe baza relatiei (1.26), unde puterea trifazata P_T rezulta ca suma a pu­te­ri­lor P_i, i = 1 3, pe cele trei faze iar puterea pe fiecare faza i se determina pe baza ce­lor N esantioane U_ij si I_ij ale curbelor de tensiune si respectiv de curent electric, obtinute pe perioada T a tensiunii aplicate:

(1.28)

Puterea aparenta trifazata S_T se determina pe baza valorilor efective calculate ale tensiunii si curentului electric pe fiecare dintre faze:

(1.29)

unde:                          (1.30)

In cazurile practice, valoarea factorului de putere se determina prin masurare di­rec­ta cu cosfimetrul, prin masurarea puterilor P si Q sau, in cazul retelelor trifazate in­car­cate simetric, prin masurarea tensiunii U intre faze si a intensitatii I a curentului elec­tric pe una dintre faze:

[v2]  (1.31)

Pentru retelele monofazate rezulta:

(1.32)

In zona valorilor uzuale ale factorului de putere, pentru variatii relativ mici ale acestuia, puterea reactiva variaza relativ mult in raport cu cea activa. Din acest motiv, pentru evaluarea raportului dintre puterea activa si cea reactiva poate fi utilizat un in­di­ca­tor mai sensibil, numit factor al puterii reactive tanj

(1.33)

Indicatorul tanj evidentiaza mai pregnant dinamica variatiei puterii reactive. Ast­fel, de exemplu, pentru cosj = 0,8 se obtine tanj = 0,75 iar pentru cosj = 0,9 rezulta tanj

Pentru factorul reactiv tanj poate fi folosita relatia (1.33) iar pentru factorul de­for­mant tanx poate fi folosita relatia:

(1.34)

1. Cauze ale circulatiei de putere reactiva

In instalatiile electrice de utilizare de tensiune alternativa caracterizate din punct de vedere electric printr-o schema cu elemente active (rezistoare) si elemente reactive (bo­bine, condensatoare), in lipsa elementelor neliniare, exista un transfer de putere ac­ti­va de la sursa spre receptor, in corelare cu cerintele procesului tehnologic care se des­fa­soara la nivelul receptorului respectiv precum si un transfer de putere reactiva Q. Daca re­ceptoarele din instalatia de utilizare au un caracter inductiv, curba curentului e­lec­tric es­te defazata in urma curbei tensiunii iar receptoarele sunt considerate ca fiind con­su­ma­toare de putere reactiva si in mod conventional puterea reactiva este con­si­de­rata po­zi­tiva (Q > 0). In cazul in care curba curentului de sarcina este defazata inaintea curbei ten­siunii, receptoarele respective sunt considerate, in mod conventional, ca surse de pu­te­re reactiva iar puterea reactiva se considera negativa (Q < 0).

Principalele receptoare care consuma putere reactiva sunt: motoarele asincrone, ma­si­ni­le sincrone subexcitate, transformatoarele, cuptoarele cu inductie electro­mag­ne­ti­ca, cup­toarele cu arc electric, bobinele, lampile cu descarcari in gaze si vapori metalici.

Elementele care produc putere reactiva sunt: masinile sincrone supraexcitate, con­den­satoarele statice, liniile electrice aeriene de inalta tensiune sau liniile electrice in ca­blu functionand cu sarcina redusa etc.

Motoarele asincrone reprezinta cel mai important consumator de putere reactiva. Cu­rentul de magnetizare si puterea reactiva consumata de acestea, sunt, procentual, mai mari decat la transformatoare. Aceasta deoarece la puteri ega­le, volumul circuitului fe­ro­magnetic este mai mare in cazul motoarelor. In cazul mo­toa­relor asincrone o de­o­se­bi­ta importanta o are existenta intrefierului dintre stator si rotor.

a) Functionarea motoarelor asincrone cu un coeficient de incarcare b < 1 (unde b es­te raportul dintre puterea absorbita P si puterea nominala P_n a motorului), datorita ex­ploa­tarii tehnologice necorespunzatoare, determina reducerea factorului de putere sub va­loarea nominala.

Puterea reactiva Q absorbita de motorul asincron la o sarcina oarecare P, se de­ter­mi­na din relatia [1.5]:

(1.35)

unde:

a = Q₀ Q_n este raportul dintre puterea reactiva Q₀ la functionarea in gol (b = 0) si

puterea reactiva Q_n absorbita la sarcina nominala (b

- puterea reactiva de dispersie.

Avand in vedere definitia (1.23) a factorului de putere in regim sinusoidal, la in­car­carea simetrica a retelei trifazate, rezulta:

(1.36)

unde . Relatia (1.43) poate fi scrisa si sub forma:

(1.37)

Pentru valori b < 0,5 reducerea factorului de putere sub valoarea nominala este deo­sebit de accentuata. Daca in exploatare, tensiunea de alimentare a motoarelor asin­cro­ne creste, rezulta o crestere a puterii reactive absorbite, cu consecinte nefavorabile privind factorul de putere. Acest lucru este datorat cresterii curentului de magnetizare la functionarea pe curba de magnetizare in zona saturata a acesteea.

b) La transformatoare puterea reactiva totala absorbita este data de relatia [1.5]:

(1.38)

In relatia (1.38), Q₀ este puterea reactiva corespunzatoare functionarii in gol, S_n este puterea aparenta nominala, Q_d este puterea reactiva de dispersie, I₀ este curentul de functionare in gol (exprimat in procente din curentul nominal), k_f este factorul de forma al curbei de sarcina (definit ca raportul dintre valoarea medie patratica si valoarea me­die, ale curentului de sarcina, calculate pentru un anumit interval de timp), b = S S_n este coeficientul de incarcare al transformatorului, u_sc este tensiunea de scurt­cir­cuit a trans­for­matorului (exprimata in procente).

Ca si in cazul motoarelor asincrone, functionarea transformatoarelor la o putere me­die sub cea nominala determina reducerea factorului de putere.

c) La instalatiile electrotermice cu cuptoare, consumul de putere reactiva este de­ter­minat de prezenta transformatoarelor sau autotransformatoarelor reglabile pe partea de alimentare, intercalate intre reteaua electrica si cuptor ca si de schema electrica spe­ci­fica a cuptorului (cu arc electric, cu inductie). Astfel, cuptoarele trifazate cu arc elec­tric actuale, cu capacitati tehnologice pana la 400 t si puteri nominale pana la 80 MW, de­termina consumuri importante de putere reactiva.

d) Redresoarele comandate larg utilizate la alimentarea instalatiilor electrotermice de­termina defazarea curbei curentului electric fata de curba tensiunii aplicate. Func­tio­na­rea cu un unghi de comanda a relativ mare  conduce la un important defazaj al celor do­ua curbe, cu introducerea de perturbatii importante in reteaua electrica de alimentare. De asemenea, intervalele de comutatie ale semiconductoarelor din schemele de re­dre­sa­re, conduc la aparitia de defazaje intre curbele de tensiune si curent electric [1.6].

e) Liniile electrice de distributie pot determina consum de putere reactiva Q_L care poa­te fi calculat din relatia:

(1.39)

unde L este inductivitatea echivalenta a liniei, w este pulsatia tensiunii pe linie iar I este intensitatea curentului electric care parcurge linia.

La liniile electrice aeriene, inductivitatea este mai mare decat la liniile electrice in cablu si deci consumul de energie reactiva este mai mare.

Din relatia (1.39) se observa faptul ca puterea reactiva creste cu patratul in­ten­si­ta­tii I a curentului electric care parcurge linia.

Liniile electrice produc insa putere reactiva Q_C datorita capacitatii lor C fata de pa­mant:

Document online: Evolutia pietei imobiliare in ultimii ani Document online: Descriere folii de polietilena

(1.40)

Puterea reactiva Q_C este mai importanta la cabluri, acestea avand capacitati lineice mai mari decat liniile electrice aeriene. Puterea reactiva produsa Q_C este proportionala cu patratul tensiunii U si este independenta de sarcina de pe linie.

In cazul liniilor electrice, puterea reactiva rezultanta poate avea valori pozitive sau ne­gative in functie de valorile celor doua componente Q_L si Q_C, prima dependenta de pa­tratul intensitatii curentului electric ce parcurge linia si a doua dependenta de patratul ten­siunii.

f) Motoarele sincrone functionand in regim supraexcitat reprezinta surse de putere reactiva.

g) Bateriile de condensatoare conectate in paralel la bornele consumatorului fur­ni­zea­za putere reactiva.

2. Efecte ale circulatiei nerationale de putere reactiva

Circulatia nerationala de putere reactiva are efecte negative asupra intregului sis­tem de producere, distributie si utilizare a energiei electrice.

a) Cresterea pierderilor de putere activa in conductoarele instalatiilor electrice. Curentul electric absorbit de receptoare, la o putere activa P constanta, creste cu sca­de­rea factorului de putere l_P. In conductoarele unei linii electrice trifazate, pierderile de pu­tere DP se determina din relatia:

(1.41)

sau                    (1.42)

unde R este rezistenta electrica a conductoarelor liniei, S este puterea aparenta absorbita iar Q este puterea reactiva care circula pe linie. Din relatia (1.41), rezulta faptul ca la o ace­easi putere activa P transmisa receptorului, pierderile de putere cresc invers pro­por­tio­nal cu patratul factorului de putere l_P. De exemplu, o instalatie electrica de utilizare care functioneaza la o putere activa constanta P dar cu un factor de putere l_P = 0,7 are pier­deri de putere activa de aproximativ doua ori mai mari decat in cazul in care ar func­tiona la un factor de putere l_P

Din expresia (1.42) rezulta valoarea minima DP_min a pierderilor de putere activa ce co­respunde cazului cind instalatia de utilizare nu absoarbe putere reactiva (Q = 0):

(1.43)

Costul energiei reactive absorbite peste limita corespunzatoare factorului de putere ne­utral se suporta de catre utilizator.

Echivalentul energetic k_e al puterii reactive transportate  se defineste ca fiind pu­te­rea activa utilizata pentru transmiterea puterii reactive de 1 kVAr intr-un punct al retelei elec­trice, fiind dependent de pozitia punctului in reteaua electrica si de factorul de pu­te­re in punctul respectiv. Intr-o schema cu transformatoare legate direct la barele cen­tra­le­lor, valoarea minim[v3] a a echivalentului energetic este de 0,02 kW kVAr [1.1].

Pentru aceeasi putere P transportata, cu conductoarele liniei identice, intr-o retea elec­trica trifazata perfect echilibrata, pierderile de putere activa DP sunt de 2,25 ori mai mici decat pierderile DP in cazul unei retele bifazate si de 6 ori mai mici decat pier­derile DP in cazul unei retele monofazate (tabelul 1.3).

Tabellul 1.3 Pierderi de putere activa in retele electrice

In tabelul 1.3 s-au notat cu I_A, I_B si I_C intensitatile curentilor electrici in fazele co­res­punzatoare ale retelei iar cu I⁰ curentul in conductorul de intoarcere.

Sistemul de distributie (mono-, bi- sau trifazat) rezulta dintr-un calcul tehnico-economic ce are in vedere si valoarea investitiei aferente tipului de retea adoptat.

b) Supradimensionarea instalatiilor electrice (necesitatea unor investitii su­pli­men­ta­re) rezulta din faptul ca instalatiile electrice se dimensioneaza pentru puterea aparenta no­minala S_n = P_n l_Pn cu atat mai mare cu cat factorul de putere l_Pn este mai redus, daca pu­terea activa necesara P_n este stabilita.

In cazul circuitelor de tensiune alternativa avand factor de putere redus, din cauza in­ductivitatii echivalente mai mari, constantele de timp ale proceselor tranzitorii elec­tri­ce, sunt mai mari si deci si curentii de scurtcircuit ating valoarea permanenta dupa un timp mai mare. Ca urmare, dimensionarea aparatelor electrice si in special curentul de ru­pere al intreruptoarelor, trebuie facute pentru durate mai mari, ceea ce implica in­ves­ti­tii suplimentare.

c) Reducerea incarcarii instalatiilor existente. Daca in exploatare valoarea fac­to­ru­lui de putere l_P este mai mica decat a factorului de putere neutral, pentru care au fost pro­iectate instalatiile electrice respective, se reduce posibilitatea de incarcare fata de pu­te­rea activa nominala a instalatiilor existente:

(1.44)

unde S_n este puterea aparenta pentru care a fost dimensionata instalatia.

d) Modificarea caderilor de tensiune. In cazul unui factor de putere inductiv are loc reducerea tensiunii pe barele de alimentare iar in cazul unui factor de pu­tere capacitiv are loc cresterea tensiunii in instalatie (fig.1.15.b). In regim sinusoidal, pen­tru un factor de putere inductiv, caderea de tensiune longitudinala este data de relatia (1.45):

(1.45)

in care U₁ este tensiunea pe faza la bornele sursei de alimentare, U₂ este tensiunea pe fa­za la barele de alimentare, R si X reprezinta rezistenta electrica si, respectiv, reactanta li­niei care leaga sursa de receptor, P si Q sunt puterea activa si, respectiv, reactiva trans­portata pe o faza a liniei electrice iar DU_a si DU_r sunt caderile de tensiune de­ter­mi­na­te de circulatia de putere activa si respectiv, reactiva.

Din relatia (1.45) rezulta ca pentru Q = 0, adica in lipsa unei circulatii de putere re­activa rezulta:

(1.46)

Daca factorul de putere este capacitiv, efectul este, de asemenea, nefavorabil, de­oa­rece pentru valori ale acestuia sub 0,8 0,9 tensiunea la bornele receptoarelor poate ajun­ge mult mai mare decat tensiunea de la sursa. Aceasta situatie, dezavantajoasa in ex­ploatare, mareste domeniul de variatie al tensiunii la bornele receptoarelor. Pentru sar­cini capacitive este posibil ca, intr-un caz particular, sa avem:

adica transportul energiei electrice sa se realizeze fara cadere de tensiune. Daca , caderea de tensiune devine negativa iar U₂ > U₁.

3. Masuri tehnico-organizatorice pentru reducerea consumului si circulatiei nerationale de putere reactiva

Masurile tehnico-organizatorice se refera la alegerea si exploatarea optimizata a echi­pamentelor electrice de utilizare ca si la alegerea configuratiei si structurii retelei elec­trice de distributie.

a) Regimul optim de exploatare a transformatoarelor din punctul de vedere al re­du­cerii pierderilor de energie. Pierderile de energie activa din transformatoare, pe o anu­mita durata T, in cazul unei sarcini variabile S(t), rezulta din relatia:

(1.47)

in care DP si DP_sc sunt pierderile de putere activa la functionarea in gol si respectiv la scurt­circuit.

Daca sarcina este constanta, coeficientul de incarcare b = S S_n = const, re­la­tia (1.47) devine:

(1.48)

Pierderea relativa de energie, raportata la energia transmisa W ( ), este:

(1.49)

In relatia (1.49) s-a notat cu T_uPM durata de utilizare a puterii maxime iar P_max este valoarea cea mai mare a puterii active in intervalul t I 0, T

Utilizand notatiile:                

unde T_p este durata pierderilor maxime, relatia (1.49) devine:

(1.50)

In relatia (1.50) s-a adoptat ipoteza ca pe durata de calcul T, factorul de putere cosj ramane constant.

Din relatia (1.50), prin derivare in raport cu b_max se poate determina valoarea aces­tu­ia pentru care pierderile relative sunt minime:

de unde:

(1.51)

Daca transformatorul functioneaza la sarcina constanta S, incarcarea optima re­zul­ta din relatia:

(1.52)

Daca se au in vedere si pierderile de putere datorate circulatiei puterii reactive ab­sor­bita de transformator, relatiile (1.51) si (1.52) devin:

(1.53)

si respectiv

(1.54)

In relatiile (1.53) si (1.54), k_e [kW kVAr] este echivalentul energetic al puterii re­ac­tive iar DQ si DQ_sc sunt pierderile de putere reactiva la functionarea in gol si res­pec­tiv in scurtcircuit ale transformatorului.

Regimul optim din punct de vedere economic este acela in care pierderile de ener­gie sunt minime. Pierderile totale de energie rezulta prin insumarea pierderilor de pu­te­re activa in transformator si a pierderilor de putere activa din retelele care asigura trans­por­tul energiei reactive absorbita de transformator:

(1.55)

Regimul optim de functionare din punctul de vedere al pierderilor de energie co­res­punde situatiei in care rezulta egalitatea:

(1.56)

In cazul a doua transformatoare care functioneaza in paralel, se poate determina regimul de functionare pentru care pierderile totale sunt minime.

Pierderile de energie activa in liniile electrice, pentru o sarcina variabila rezulta din relatia (1.42):

(1.57)

Daca sarcina este constanta in timp, relatia (1.64) se poate scrie sub forma:

(1.58)

Pierderea relativa de energie pe liniile electrice trifazate rezulta:

(1.59)

Din relatia (1.59) rezulta urmatoarele concluzii privind pierderile de energie:

sunt direct proportionale cu rezistenta electrica a conductoarelor, putand fi re­du­se prin marirea ariei sectiunii transversale a acestora; marirea ariei sectiunii transversale este justificata numai pentru valori ale acesteea sub cea economica,

sunt invers proportionale cu patratul factorului de putere; prin aplicarea ma­su­ri­lor de compensare se obtine si o functionare mai economica a retelelor,

sunt invers proportionale cu patratul tensiunii; cresterea tensiunii conduce la re­du­cerea pierderilor, dar aceasta solutie necesita investitii suplimentare, motiv pentru ca­re este necesara analiza solutiei pe baza unor calcule tehnico-economice,

sunt invers proportionale cu pa­tra­tul duratei de utilizare a puterii active maxime; cres­terea coeficientului de apla­tisare a curbei de sarcina determina re­ducerea pierderilor de energie elec­tri­ca.

b) Inlocuirea transformatoarelor slab incarcate deoarece acestea fun­ctio­neaza cu valori reduse ale fac­to­ru­lui de pu­tere.  Transformatoarele slab incarcate (b < 0,5) se afla intr-un regim de functionare care determina re­du­cerea sub­stan­­tiala a factorului de pu­tere cosj din primar in raport cu fac­to­rul de putere cosj din se­cun­da­rul aces­­tuia. Se recomanda inlocuirea trans­for­ma­toa­­relor care lucreaza in mod con­stant sub 50% din puterea lor nominala.

c) Inlocuirea motoarelor asin­cro­ne sau marirea coe­ficientului de incarcare. Puterea reactiva absorbita de motoarele asincrone poate fi calcu­la­ta din relatia (1.35). Avand in vedere faptul ca termenul Q₀ reprezinta in medie 0,7 Q_n, pentru cazul unui coeficient de in­car­ca­re b = 0,5 se obtine:

Se observa faptul ca necesarul de putere reactiva nu se reduce in aceeasi masura cu incarcarea masinii. Astfel, desi coeficientul de incarcare b s-a redus la jumatate, va­loa­rea necesarului de putere reactiva ramane ridicata.

d) Reducerea fluxului magnetic al motoarelor a­sin­crone in regim de sarcina re­du­sa se obtine prin sca­derea tensiunii aplicata motorului. Ca urmare, are loc re­du­ce­rea cu­rentului de magnetizare si deci cres­terea factorului de putere. Pe de alta parte, re­zul­ta o scadere a momentului cuplului mo­tor, aproximativ pro­por­tio­nala cu pa­tratul ten­si­u­nii. Aceasta me­toda se poa­te aplica la motoarele al caror regim de lucru cuprinde perioade relativ lungi de fun­ctionare la sarcina redusa, in general sub 30% din sarcina nominala.

Solutia prac­­ti­ca corespunde trecerii motoarelor avand conexiunea statorica normala in triunghi (D), la functionarea cu conexiunea stea (U). Prin aceasta modificare a co­ne­xi­u­ni­lor, ten­si­u­nea aplicata fiecarei faze a in­fa­su­rarii primare se reduce in raportul 1 iar mo­men­tul cu­plului la arbore se mic­so­reaza de 1 3 ori. De remarcat ca la functionarea mo­to­ru­lui cu tensiune redusa se ma­reste si randamentul ca urmare a reducerii pierderilor in fier.

e) Reducerea duratelor de functionare in gol prin deco­nec­ta­rea automata de la sur­sa de alimentare a motoarelor asin­cro­ne si transformatoarelor in perioada de repaos ne­teh­nologic a ma­si­ni­lor de lucru daca aceasta depaseste, de exemplu, 30 s. Prin acest pro­cedeu se elimina, pe de o parte, pierderile de pu­te­re ac­ti­va corespunzatoare re­gi­mu­lui de functionare in gol al echi­pa­men­te­lor electrice iar pe de alta parte se inlatura con­su­mul relativ ri­di­cat de putere reactiva, care la functionarea in gol re­pre­zin­ta 70 80% din puterea reactiva consumata la sarcina nominala.

f) Executia corecta a reparatiilor motoarelor asincrone si transformatoa­relor prin respectarea numarului de spire si a dimensiunilor intrefierului.

g) Inlocuirea motoarelor asincrone cu motoare sincrone si utilizarea capacitatii de compensare a motoarelor sincrone. Motoarele sincrone sunt utilizate la actionarile de putere mare, peste 100 kW, la care nu este necesara modificarea vitezei de rotatie (compresoare, malaxoare, ventilatoare etc). Motoarele sincrone de executie normala pot fi supraexcitate la sarcina nominala astfel ca functionarea lor sa corespunda unui factor de putere capacitiv cosj = 0,8. Motoarele asincrone compensate individual cu con­den­satoare derivatie pot fi inlocuite numai pe baza unei justificari tehnico-economice [1.2].

h) Utilizarea unor scheme adecvate pentru re­dre­soa­re­le comandate care asigura pe barele de alimentare un de­fa­zaj redus al curbei curentului electric fata de tensiunea apli­cata [1.5].

4. Mijloace specializate pentru imbunatatirea factorului de putere

In categoria mijloacelor specializate sunt cuprinse compensatoarele sincrone si ba­te­riile de condensatoare. In scopul cresterii factorului de putere pana la valoarea neu­tra­la, dupa ce au fost epuizate toate masurile tehnico-organizatorice, se iau in con­si­derare mijloacele specializate. O schema generala a diferitelor variante de pro­ducere a puterii reactive este prezentata in fig.1.20. Criteriul dupa care se stabilesc marimea, tipul, am­pla­sarea surselor de pu­tere reactiva si programul de fun­ctio­na­re a acestora, este ob­ti­ne­rea unui op­tim tehnico-economic.

a) Compensatoarele sincrone se pot folosi in centrale electrice, in retele si la con­su­mator, la medie tensiune si la inalta tensiune iar ba­te­ri­i­le de con­den­sa­toa­re se folosesc in retele si la con­su­ma­tor, la joasa tensiune si la medie tensiune.

Compensatoarele sincrone sunt ma­sini sincrone care funtioneaza fara cu­plu me­­canic la arbore, in regim su­pra­excitat, pro­ducand numai energie re­ac­tiva. Este po­­sibila mo­dificarea con­ti­nua a puterii reac­tive prin reglarea va­lo­rii cu­ren­tului de ex­ci­tatie. Se realizeaza com­pen­sa­toa­re sin­crone cu puteri no­mi­nale mi­nime de 200 kVAr la ten­si­unea de 0,4 kV, 10 MVAr la tensiunea de 6 kV si ajun­gand pana la puteri de 60 MVAr in re­te­le de inalta tensiune.

b) Bateriile de condensatoare se pot realiza intr-o gama larga de puteri (pa­na la zeci de MVAr) si de variante con­structive, fi­ind posibila definirea lor in functie de: ten­siunea de racordare (ba­terii de joasa sau me­die tensiune), modul de conectarea la re­teaua electrica (baterii co­mu­ta­bile ma­nu­al sau automat, baterii fixe), conditiile de instalare (baterii de interior si baterii de ex­te­ri­or).

Bateriile de condensatoare utilizate in reteaua de 50 Hz au o serie de avantaje in ra­port cu compensatoarele sincrone: sunt in­stalatii statice, au gabarit redus, pierderi de pu­tere activa circa 0,003 kW kVAr (apro­ximativ de 10 ori mai mici ca la com­pen­sa­toa­rele sincrone), pot fi instalate in cadrul unor montaje simple, nu necesita intretinere si supraveghere speciala, costul specific este de 3 5 ori mai mic decat la com­pen­sa­toarele sincrone (in lei kVAr).

La utilizarea bateriilor de condensatoare apar si unele dezavantaje: puterea re­ac­ti­va poate fi modificata numai in trepte, apar supratensiuni la conectare si deconectare, pu­terea reactiva disponibila a bateriei de condensatoare depinde de patratul tensiunii, armonicile tensiunii aplicate determina importante armonici de curent electric (reac­tan­ta capacitiva scade odata cu cresterea rangului armonicii).

Utilizarea condensatoarelor in retele cu mutatoare implica un studiu atent al an­sam­blului condensator-mutator.

Din punctul de vedere al frecventei, condensatoarele pot fi de frecventa industriala (50 Hz) si de medie frecventa (100 10000 Hz). Condensatoarele de medie frecventa sunt folosite pentru compensarea factorului de putere la cuptoarele si echipamentele de in­ductie electromagnetica de medie frecventa.

Pierderile active DP_C ale condensatoarelor se determina din relatia [1.1]:

(1.60)

in care tand este tangenta unghiului de pierderi, C este capacitatea electric[v4] a a conden­satorului iar U este tensiunea aplicata la borne.

c) Amplasarea bateriilor de condensatoare se face in vederea realizarii unui anumit tip de compensare: individuala, pe grupe de receptoare, centralizata si mixta.

Compensarea individuala este spe­ci­fica receptoarelor cu functionare con­ti­nu­a, asigurandu-se com­pen­sa­rea puterii reactive chiar la lo­cul de con­­sum, des­car­cand astfel reteaua elec­tri­ca de a­li­mentare de circulatia ne­ra­tio­nala a pu­te­rii reactive. Compensarea in­di­vi­du­a­la este utilizata, de exemplu, la lampile cu des­car­ca­re e­lec­trica in vapori metalici.

Compensarea pe grupe de re­cep­toa­­re se foloseste atunci cand re­cep­toarele de putere reactiva sunt gru­pate, montarea bateriei de condensatoare se face la barele tablourilor de distributie apar­ti­nand grupelor respective de recep­toa­re. Pu­te­rea bateriei de condensatoare are in ve­de­re coeficientul de simultaneitate in func­tio­na­re al receptoarelor din grupa res­pec­ti­va. In mod obisnuit, instalatia de com­pen­sare cu­prinde mai multe sectii pentru a asigura po­sibilitatea de reglare a bateriei de con­den­sa­toare.

Compensarea centralizata reali­ata pe partea de joasa tensiune per­mite ca linia de transport de medie tensiune si postul de transformare PT sa nu fie in­carcate cu puterea reactiva necesara receptoarelor conectate pe partea de JT. Compen­­sarea centralizata pe partea de medie tensiune a postului de transformare are dezavan­ajul fata de cazul anterior ca transforma­oarele din postul de transformare sunt incarcate cu puterea reactiva necesara receptoarelor conectate la barele de joasa ten­si­u­ne. La compensarea centralizata este necesara reglarea automata a bateriei de con­den­sa­toare, aceasta fiind compusa dintr-un numar corespunzator de trepte pentru a evita supra- sau sub-compensarea in diversele etape ale procesului tehnologic realizat de re­cep­toarele in functiune.

Compensarea mixta foloseste toate procedeele prezentate anterior pentru com­pen­sarea puterii reactive. Solutia se aplica in etape sau, atunci cand intervin anumite con­ditii specifice consumatorului respectiv.

d) La dimensionarea bateriei de condensatoare derivatie pentru compensare statica (P = const si Q = const), puterea reactiva Q_C furnizata de bateria de conden­satoare cu capacitatea electrica C si avand la borne tensiunea pe faza U_f (fig.1.22) este data de relatia:

(1.61)

unde: m este numarul de faze; w p f  ‑ pulsatia tensiunii de alimentare.

Determinarea puterii reactive necesare Q_C a bateriei de condensatoare impune cu­noas­­terea puterii active P absorbita de receptor precum si valoarea naturala (ne­com­pensata) a factorului de putere inductiv cosj si a factorului de putere impus (neutral), du­pa compensare (cosj  > cosj

Considerand marimile de faza din diagrama puterilor, in care cele care co­respund situatiei inainte de compensare au fost notate cu indicele 1 iar cele dupa com­­pensare cu indicele 2, se obtine:

(1.62)

In unele cazuri, in special in retelele de frecventa indus­triala, pierderea de putere DP_C in dielectricul con­den­sa­toa­re­lor (relatia 1.60) este neglijabila fata de puterea P si, deci, re­la­tia (1.62) devine:

(1.63)

Condensatoarele trifazate utilizate pentru com­pen­sa­rea factorului de putere se pot monta in conexiune stea sau triunghi. Capacitatea pe faza a bateriei de con­den­satoare rezulta din relatiile:

(1.64)

In relatiile (1.64), Q_C este puterea reactiva pe faza, care trebuie produsa de bateria de condensatoare iar U este tensiunea intre faze.

Din relatiile (1.64) se observa faptul ca C_Y = 3 C_D, ceea ce arata ca pentru a com­pen­sa aceeasi putere reactiva, montajul in stea necesita o baterie de condensatoare cu capacitatea de trei ori mai mare decat in cazul montajului in triunghi. Montajul in stea este avantajos in cazul retelelor de medie tensiune, deoarece tensiunea nominala a con­den­satoarelor rezulta mai redusa. In instalatiile de joasa tensiune unde solicitarea die­lec­trica nu este critica se utilizeaza numai conexiunea in triunghi.

e) Eficienta economica a compensarii puterii reactive se analizeaza prin metoda chel­tuielilor anuale actualizate, comparandu-se varianta fara compensare (co­res­pun­za­toa­re factorului de putere natural) cu alte variante de compensare a factorului de pu­te­re. Calculele efectuate, pentru fiecare punct din reteaua electrica, permit sta­bi­li­rea va­lo­rii optime a factorului de putere corespunzatoare factorului

de putere neutral [1.5].

­ f) Descarcarea bateriei de condensatoare. La deco­ectarea de la reteaua electrica a bateriei de condensatoare, aceasta ramane incarcata cu sarcina electrica, tensiunea de la borne fiind egala cu valoarea instantanee a ten­iunii din momentul intreruperii cir­cu­i­­­tu­lui. In continuare, ten­siunea de la bornele bateriei de condensatoare scade da­to­rita pier­derilor prin rezistenta de izolatie a dielectricului propriu. Acest proces, de obi­cei, du­reaza relativ mult, tensiunea de la borne mentinandu-se la valori ridicate un timp in­de­lungat. Necesitatea descarcarii ba­teriei de condensatoare imediat dupa de­co­nec­tare este impusa atat din considerente de electrosecuritate cat si din conditia de a avea ba­te­ria pregatita pentru reconectare.

Circuitul de descarcare trebuie sa asi­gu­re reducerea tensiunii de la bornele ba­te­ri­ei de condensatoare sub valoarea ad­mi­sa U_ad = 50 V, intr-un interval de timp t_d   5 min la bateriile de MT si t_d   1 min la ba­teriile de JT [1.1]. Deoarece in­tre­ru­pe­rea circuitului ba­teriei de condensatoare are loc de cele mai multe ori la trecerea prin zero a cu­ren­tului electric, la de­co­nec­ta­re ten­si­u­nea u_c la bornele bate­riei de con­den­sa­toa­re ramane practic egala cu va­loa­rea de varf U_max a tensiunii de la retea. Re­zis­to­rul R_d, conectat la bor­nele bateriei de con­den­sa­toa­re, determina reducerea ten­si­u­nii u_c conform relatiei:

(1.65)

unde C este capacitatea bateriei de con­den­sa­toa­re iar  este con­stanta de timp a circuitului.

Calculul rezistentei electrice a re­zis­to­ru­lui de descarcare R_d se face pe baza re­la­ti­ei (1.65) in care se impune ca dupa un timp , tensiunea la bornele bateriei de con­den­satoare sa ajunga egala cu U_ad.

Se obtine:

(1.66)

unde U este valoarea efectiva a tensiunii la bornele bateriei inainte de deconectare.

g) Reglarea gradului de com­pen­sa­re. Compensarea automata a puterii re­ac­ti­ve. Consumul de putere reactiva Q al unor categorii de receptoare nu este con­stant in timp, acesta modificandu-se lent sau rapid, uneori in limite relativ mari, in func­tie de ne­ce­sitatile procesului teh­no­lo­gic. Folosirea unor baterii de con­den­sa­toa­re fara po­si­bi­litati de reglaj poate de­ter­mina in ex­ploa­tarea instalatiilor cu ast­fel de re­cep­toa­re, situatii nedorite da­to­ra­te re­gi­mu­ri­lor de supra sau sub­com­pen­sa­re introduse. Ca ur­ma­re, in astfel de si­tu­atii, bateria de con­densatoare trebuie re­alizata cu mai multe sectii, fie­care sec­tie fiind prevazuta cu echipamente de co­mu­tatie co­man­date au­to­mat, dupa anu­mi­te criterii, de exem­plu, in functie de va­loa­rea ten­si­u­nii de pe bare, de valoarea cu­rentului de sar­cina, a sensului schim­bu­lui de putere re­activa cu sistemul ener­ge­tic sau in ra­port cu timpul de func­tio­na­re la diverse sarcini.

Reglarea componentei bateriei de con­densatoare in functie de timp de­vi­ne po­sibila, cu bune rezultate in in­tre­prin­de­rile in care structura proceselor teh­no­lo­gice re­a­li­za­te se repeta zilnic, fiind po­si­bil a prestabili momentul co­nec­tarii sau de­co­nectarii di­fe­ri­telor sectii. Sche­me­le de acest tip folosesc cea­suri elec­tri­ce cu pro­gram de co­nec­tare-deconectare pe durata a 24 ore.

Alegerea numarului si a valorii trep­­telor unei baterii de condensatoare tre­buie sa aiba in vedere ca eficienta re­gla­jului creste cu numarul de trepte, fiind posibila ur­ma­ri­rea cat mai fidela a cur­bei de sarcina a puterii reactive, dar fractionarea excesiva a ba­te­ri­ei devine la un moment dat neeconomica de­oa­re­ce necesita utilizarea unei scheme com­ple­xe de comutatie. In cazurile practice, la bateriile de con­den­sa­toa­re pana la 1000 V se utilizeaza un numar de 4 5 trepte iar la cele cu tensiunea nominala pes­te 1000 V, de obicei pana la trei trepte [1.5].