Спад промышленного производства в нашей стране в предыдущие годы и простой большинства предприятий привели к временной невостребованности систем КРМ ввиду малого потребления полной мощности простаивающими предприятиями. Одновременно с этим происходили следующие технические процессы: существующие КРМ устаревали и выходили из строя, ставшая нередкой неполная удельная загрузка промышленного оборудования привела к понижению доли активной мощности в полной и соответственно к понижению сos — величины, которая далее более подробно рассмотрена в данной статье. К таким же результатам вела работа в две смены вместо четырех. Ввод в работу старого оборудования после капитальных ремонтов, таких как электродвигатели, трансформаторы и т.п. — все это привело к повышенному поступлению в сеть реактивной энергии.
Для потребителей, не связанных с электроэнергетикой, поясним возникновение реактивной мощности в сетях.
Основной нагрузкой электрической сети современных промышленных предприятий являются асинхронные двигатели АД и распределительные трансформаторы. Когда заходит речь о мощности нагрузки, потребителя обычно волнует вопрос об уровне активной составляющей мощности, так как именно она определяет полезную работу. С другой стороны, принцип действия и АД, и трансформаторов основан на изменении магнитного поля в обмотках электрических машин, то есть, в данном случае, индуктивных элементах.
Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени (на рис. 1 они выделены серым цветом), когда синусоиды напряжения и тока имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен, и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершая колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно). Соответствующую мощность называют реактивной.
Наличие РМ является паразитным фактором, неблагоприятным для сети в целом. Оно приводит к следующим негативным явлениям, возникающим в распределительной сети:
• снижение нагрузочной (пропускной) способности;
• повышение активных потерь;
• большее падение напряжения.
Реактивная мощность Q пропорциональна реактивному току, протекающему через индуктивный элемент: Q=UxIL , где IL — реактивный (индуктивный) ток, U — напряжение сети. Таким образом, полный ток, питающий нагрузку, складывается из активной и индуктивной составляющих: I=IL+IR . Для снижения доли реактивного тока в системе генератор — нагрузка параллельно нагрузке подключают компенсаторы-электроприемники с емкостным током. РМ при этом уже не перемещается между генератором и нагрузкой, а совершает локальные колебания между реактивными элементами — индуктивными обмотками нагрузки и компенсатором (ами). Такая КРМ (снижение индуктивного тока в системе генератор — нагрузка) позволяет, в частности, передать в нагрузку большую активную мощность при той же номинальной полной мощности генератора. Полная мощность S сети равна:
где P — активная мощность. Как известно, коэффициент мощности, в частном случае, равный косинусу угла между током и напряжением на основной частоте, определяют как отношение активной мощности к полной: сos=P/S. Этим коэффициентом принято характеризовать уровень РМ двигателей, генераторов и сети предприятия в целом.
На современном этапе, с ростом таких сфер производства как перерабатывающая, пищевая, горно-обогатительная промышленности, первичная металлообработка, добыча, транспортировка и переработка нефти и газа, вопросы применения КРМ вновь приобретают актуальность. Полное использование мощностей (при полной загрузке трансформаторов) возможно только при компенсации реактивной составляющей мощности. Отметим, что в государствах объединенной Европы, например, в Германии, оборудование редко простаивает, и тариф на потребление реактивной мощности РМ весьма велик (частные электрические компании четко следят за состоянием загрузки электросети потребителя в целом, и, в частности, за наличием у потребителя устройств компенсации). Поэтому практически ни одно промышленное предприятие там давно уже не обходится без оборудования КРМ.
В России традиционно проблемами исследования компенсации реактивной мощности занимались и занимаются такие государственные организации как, например, ВНИИЭ — институт электроэнергетики, г. Москва.
В настоящее время, в связи с развитием таких работ как энергосбережение, энергоаудит, вопросы применения КРМ активно исследуются независимыми организациями, например, НТЦ «ПОЛИКИТ», «ЭНЕРГОТЕСТ ВТИ», «ЭНЕРГОЭФФЕКТ», «ЭНЕРКОМ-сервис» (г. Москва), которые активно сотрудничают в этом направлении с региональными организациями, в том числе, «НТЦ ЭНИТ» (г. Тула).
Таким образом, можно обобщить некоторый существующий опыт по применению КРМ.
Какие аргументы «за» существуют для применения установок КРМ?
Использование установок компенсации реактивной мощности оказывает следующие положительные эффекты:
1. Компенсация реактивной мощности позволяет подключить дополнительную активную нагрузку, не увеличивая общей установленной мощности силовых трансформаторов.
2. Компенсация реактивной мощности позволяет, не увеличивая сечение питающего кабеля, запитывать через него дополнительную полезную нагрузку.
3. Компенсация реактивной мощности позволяет поднять напряжение потребителю в тех случаях, когда это необходимо для производственных процессов.
4. Компенсация реактивной мощности снижает потребление активной (!!!) энергии на 3-7% при самых скромных подсчетах, а на практике и больше. Но эту экономию возможно реализовать только при установке местной или локальной, не групповой компенсации .
5. Эффективно применение компенсации реактивной мощности и в автономных энергосистемах: геологических партиях, энергоустановках на кораблях, на буровых, стройплощадках и т. д. Основной экономический эффект достигается за счет более полного использования генераторных агрегатов по активной мощности.
Требуется меньшая установочная мощность генераторов, снижается расход топлива, смазочных материалов, увеличивается срок службы оборудования.
Какие аргументы «против » существуют для применения установок КРМ?
1. Данная организация не несет никаких платежей за реактивную мощность. Достаточно отметить, что имеется экономия по активной энергии, как показано выше, и она работает в противовес этому аргументу.
2. Энергосбытовые компании предписывают отключить компенсаторы из-за емкостного сos по ВН и СН. Достаточно ответить, что современные КРМ обладают функцией автоматической регулировки по управляемому параметру — cos и поддерживают его в заданных границах. Например, в индуктивной зоне по стороне НН. Таким образом, ничем не могут помешать стороне ВН и СН. Кроме того, компенсация по ВН и СН может осуществляться своими КРМ, учитывающими емкостной характер нагрузок на стороне ВН и СН.
3. Окупаемость установок превышает некий допускаемый минимум. При правильном разбиении установочных мощностей и поэтапном применении местной компенсации возможно уже сейчас достичь окупаемости установок за 2-4 года.
Кроме того, не отбрасывается и административный фактор, который может обеспечить развитие существующих тенденций к увеличению платы за активную мощность, введение платежей или штрафов за реактивную мощность, что уменьшит сроки окупаемости и увеличит положительный эффект от установки.
Как правильно осуществить выбор типа КРМ?
Поясним это на примере современных типов КРМ испанской фирмы CIRCUTOR, которая более 30 лет специализируется на косинусных конденсаторах и компонентах КРМ, а так же является общепризнанным лидером в разработке алгоритмов управления для таких установок.
Типы низковольтных установок компенсации реактивной мощности и фильтрокомпенсаторов фирмы CIRCUTOR- Испания.
Различаются следующие типы установок:
1. Релейно-контакторного типа.
2. Быстродействующие статические.
3. Фильтрокомпенсирующие.
Под специальный заказ могут выполнятся и другие конструктивы и типы установок.
Могут производиться как однофазные так и трехфазные установки.
1. Релейно- контакторного типа.
Для установки каждой конструктивной серии в однофазном исполнении суммарная мощность меньше трехфазного варианта примерно на 1/3 .Тоже можно сказать и о мощностях каждой банки серии для однофазного и трехфазного исполнения.
Все шкафы данной группы имеют управляющий компьютер (контроллер) со специальным алгоритмом быстрого переключения банок FCP (Fast Computerized Programm)
Тип представлен сериями:
1.1 EUB серия;
1.2 VARI серия;
1.3 VQ серия;
1.4 SC (SUPERCOMPACT)серия;
1.5 Модульная FK серия.
1.1 EUB серия — идеальное решение для небольших производств, банков, отелей, спортцентров и т.д. (5-100 кВАр).
Серия состоит из двух основных конструктивов: шкаф, вмещающий до 3 и до 4 емкостных банок. Соответственно, возможно и меньшее количество в каждом.
Минимальный номинал установленной банки 5 кВАр.
1.2 VARI серия — также используется для небольших и средних производственных площадок и офисов. (35-150 кВАр)
Шкаф содержит до 12 емкостных банок. Серия строится на специальных банках со встроенными индивидуальными предохранителями и резисторами быстрого разряда. Банки имеют самовосстанавливающуюся полипропиленовую изоляцию диэлектрика.
В шкафу также смонтирован токоограничивающий реактор.
1.3 VQ серия — используется на средних и больших производствах, административных зданиях, офисных центрах. (165-480 кВАр)
Шкаф содержит 8 или 6 конденсаторов. Максимальный номинал установленной банки 60 кВАр. На раме смонтирован токоограничивающий реактор. Банки снабжены индивидуальными предохранителями.
1.4 SC (SUPERCOMPACT)серия — при своей компактности охватывает диапазон мощностей выше среднего и больший. (225-640 кВАр). Возможно установить до 8 банок.
Максимальный номинал установленной банки 80 кВАр. Отличительной особенностью идеологии серии является наличие собственных предохранителей в модуле релейно-контакторных переключателей и предохранителя управляющего компьютера. Отличительной особенностью дизайна серии является расположение блока емкостных банок внизу, на основании рамы, под управляюще-коммутирующим блоком самого шкафа. Также имеется индивидуальная защита банок и токоограничивающий реактор.
1.5 Модульная FK серия — специально разработана для установки на больших и средних производствах и в административных центрах с большой долей реактивной мощности в потребляемой электроэнергии. Рекомендуемый диапазон (120- 960кВар).
В стандартном исполнении можно установить до 6 или до 12 банок. Также под специальный заказ могут производиться и другие суммарные мощности таких установок.
Суммарный диапазон мощности установки определяется количеством банок и диапазоном минимальной и максимальной однофазной или трехфазной банки соответственно: (10-40кВАр) или (15-80кВАр).
2. Быстродействующие статические.
Основные преимущества этого решения — плавность регулирования, несмотря на относительно большие номиналы емкостных банок. Высокое быстродействие по сравнению с традиционными решениями. Способность долговременной работы без технического обслуживания.
Тип представлен сериями:
2.1 ECK серия;
2.2 EMK серия.
2.1 ECK серия — разработана для компенсации небольших мощностей (12,5 — 100 кВАр). Совмещает в себе перечисленные преимущества статических (тиристорных) установок и компактность исполнения. Максимальное количество банок — 4.
2.2 EMK серия — разработана для компенсации средних мощностей (70- 480кВАр). Максимальное количество банок — 6. Состоит, так же как и серия ЕСК, из набора тех же комплектующих элементов: статические переключатели — блоки тиристоров с предохранителями, плата контроля перехода напряжения и тока через ноль СpCb , группа емкостей и быстрый регулятор реактивной мощности — компьютер типа 8df ,14 df.
3. Фильтрокомпенсирующие.
Основное преимущество такого решения — сочетание коррекции коэффициента мощности и фильтрации гармоник для питающей сети с одновременной защитой самих банок от разрушающих их гармоник.
Тип представлен серией:
3.1 FRE серия.
3.1 FRE серия — разработана для сетей сильно засоренных гармоническими составляющими. Прежде всего, применяется для промышленных предприятий, на которых имеется регулируемый электропривод, технологические линии с частым переключением нагрузки на валу работающих двигателей, совместно с устройствами плавного пуска двигателей. Кроме того FRE серия применяется в технологических производствах, где имеются нерегулируемые приводы, но с частыми прямыми пусками. В настоящее время перспективным в использовании является применение FRE для частотно управляемых насосов.
Состоит, так же как и серии ЕСК/EMK, из набора тех же комплектующих элементов: статические переключатели — блоки тиристоров с предохранителями, плата контроля перехода напряжения и тока через ноль СpCb, группа емкостей и быстродействующий регулятор реактивной мощности — компьютер типа 8df ,14 df. Кроме того, обязательным элементом серии является фильтр типа L (фильтрующий реактор).
FRE серия производится в двух конструктивных исполнениях: одношкафном — до 6 банок и двухшкафном — до 12 банок. Весь диапазон перекрываемых мощностей (87,5- 960 кВАр).
Резюме. В настоящее время сложились предпосылки для установки компенсаторов реактивной мощности на предприятиях. Имеется достаточно разновидностей КРМ по типу и по мощности. Временной отрезок позволяет упредить повышение суммарных оплат за электроэнергию при установке КРМ до изменения тарифов.
Выгодность установки доказывается не только экономией реактивной и полной энергий, но и непосредственно активной составляющей энергии, даже при существующих тарифах.