Do Projektu iAutomatyka dołączyli:

Publikacja zgłoszona do 🎁 Konkursu iAutomatyka
https://iautomatyka.pl/wp-content/uploads/2022/11/IMG_20200203_170651-1.jpg

Regulatory układów kompensacji mocy biernej


W tej publikacji chciałbym zaprezentować względnie zwięźle tematykę regulatorów kompensacji mocy biernej (jako elementów typowo pasujących do sektora automatyki). Nie będzie on jednak typowym omówieniem teorii kompensacji, gdyż choćby skrótowe omówienie od podstaw prawdopodobnie szybko rozrosłoby się do rozmiarów książki. Poniższe traktowałbym raczej jako pomoc dla osób mających na co dzień styczność z takimi układami np. w swoim miejscu pracy, ale mimo wszystko z różnych powodów nie są oni zaznajomieni z samym regulatorem i na wszelki wypadek nie chcą „grzebać” w ciemno przy nim w razie jakichś problemów z działaniem układu. Możliwe, że po niniejszej lekturze przynajmniej ogólnie rozjaśni się proces regulacji i uruchomienia, natomiast osoby chcące dowiedzieć się więcej na temat samej kompensacji mocy biernej lub kompletnie nic nie wiedzące na ten temat, zachęcam do obszernej bazy literatury na ten temat, w szczególności firm zajmujących się tym zagadnieniem.

Równocześnie zaznaczam, że żaden z poniższych producentów nie jest sponsorem artykułu, a przytoczone modele służą bardziej jako lepsze przedstawienie tematu na konkretnych przykładach.

Omówię najpierw część sprzętową związaną z regulatorem, a następnie przejdę do omówienia podstawowych parametrów niezbędnych do ustawienia w takim urządzeniu.

Ogólnie najczęściej jeszcze spotykane układy kompensacji mocy biernej (tzw. pasywne – działające w oparciu o elementy kompensacyjne będące kondensatorami lub dławikami)  sterowane są przez centralny regulator, który zwykle umieszczony jest na elewacji szafy urządzenia (chociaż spotykane są również wersje wewnętrzne).

Regulator załącza poszczególne człony kompensacyjne w oparciu o minimum dwa sygnały sterujące: aktualne napięcie zasilające (fazowe lub międzyfazowe) oraz sygnał prądowy pochodzący z przekładnika prądowego. Mnogość możliwych podłączeń tych sygnałów (a tym samym możliwych do popełnienia błędów) często objawia się w tym, że cały układ nie potrafi w ogóle „ruszyć” do działania w trybie automatycznym lub regulacja jest nieoptymalna, dlatego omówię kilka najczęściej spotykanych możliwych podejść ze strony producentów.


Układ Aarona (regulatory np. TWELVE MRM-12, LOVATO DCRK, ELEKTROMONTEX RMB10.x)

W takim układzie najczęściej musimy spełnić dwa podstawowe warunki montażu i podłączeń sygnałów pomiarowych:

  1. Sygnał prądowy z przekładnika prądowego – zachowanie prawidłowego kierunku montażu zarówno dla strony pierwotnej (P1-P2, strzałka w kierunku odbiorów) jak i wtórnej (S1-k,S2-l). Dodatkowo bardzo ważne – przekładnik musi „widzieć” prąd całego układu włącznie z układem kompensacji.

Przekładnik zamontowany na fazie umownie określonej jako L1 (chociaż w rzeczywistości może to być dowolna faza)

  1. Sygnał napięciowy – wymagane jest napięcie międzyfazowe, z faz innych niż faza przekładnika. Dodatkowo bardzo często konieczne jest również zachowanie zgodnego wektora wirującego napięć to znaczy faza L2 powinna „wyprzedzać” fazę L3 (szczegóły co do tego wymagania powinny być zawarte w instrukcji obsługi).

Regulatory tego typu są najczęściej układami 2-kwadrantowymi to znaczy działają prawidłowo tylko w sytuacji poboru energii z sieci i mogą nie sprawdzać się np. w układach z instalacjami fotowoltaicznymi. Założenie jakie wykorzystuje regulator to symetryczność obciążenia co w praktyce zdarza się jedynie w dużych zakładach produkcyjnych lub innych obiektach, gdzie dominującym obciążeniem są 3-fazowe odbiorniki.

Układ 3 watomierzy (regulatory np. KMB SYSTEMS NOVAR 24xx, LOVATO DCRG, TWELVE MRM-3f, LOPI LRM-001)

W takim układzie potrzebujemy więcej sygnałów pomiarowych, ale podłączenia są bardziej czytelne niż w układzie Aarona. Potrzebny jest sygnał napięciowy i prądowy z każdej fazy zasilania – łącznie dla 3-fazowego układu jest to 6 sygnałów. Przekładniki prądowe nadal muszą widzieć całość obciążenia (odbiorniki + kompensacja mocy biernej). Najczęściej nie jest wymagane zachowanie kierunku wirowania faz podczas podłączania sygnałów – ważne jest jedynie odpowiednie skojarzenie sygnałów prądowych z napięciowymi. Zaletą tego typu konstrukcji jest możliwość kompensacji w przypadku niesymetryczności obciążenia co w połączeniu z odpowiednimi członami wykonawczymi (3-fazowe lub 1-fazowe) umożliwia dokładniejszą korekcję współczynnika mocy. Najczęściej nadają się do bezproblemowej pracy 4-kwadrantowej.

Układ mieszany/kombinowany (regulator np. KMB SYSTEMS NOVAR 100x, LOPI LRM-001)

Możliwy do zastosowania w nowoczesnych regulatorach, które często posiadają również opcję wykrywania metody podłączenia sygnałów. W takim przypadku najczęściej dopuszczalne są dowolne kombinacje sygnału prądowego i napięciowego – mogą być z tej samej fazy lub różnych faz (np. prąd z L1, napięcie L3). W rzeczywistości umownie przekładnik wewnętrznie traktuje jako zamontowany na fazie L1, a względem niego określa się z której fazy pochodzi sygnał napięciowy. Pod pewnymi warunkami możliwe jest samodzielne wykrycie podłączenia przez regulator co jest istotną zaletą przy uruchomieniu – w takim przypadku nie musimy znać szczegółów ręcznego nastawiania faz sygnałów pomiarowych. Nadal jednak obowiązują podstawowe zasady podłączania przekładników w układ – prawidłowe podłączenia strony pierwotnej i wtórnej, przekładnik „widzi” całość obciążenia. Regulatory tego typu również zakładają symetryczność obciążenia (tak jak regulatory z układem Aarona), najczęściej nadają się do pełnej pracy 4-kwadrantowej (czyli przy poborze i generacji mocy czynnej).

Do regulatorów poza sygnałami pomiarowymi oraz sygnałami sterującymi człony kompensacyjne, bardzo często można jeszcze podłączyć dodatkową komunikację np. ETHERNET, RS-485 (Modbus) i inne. Szczegóły zależą od modelu regulatora. Niektóre konstrukcje posiadają również wbudowany czujnik temperatury oraz możliwość sterowania dzięki temu wentylatorami lub grzałkami antykondensacyjnymi dzięki czemu często odpada konieczność zabudowy dodatkowych urządzeń sterowniczych.

Po uruchomieniu regulatora konieczne jest zwykle jego odpowiednie skonfigurowanie. Nie jest to szczególnie skomplikowane, jednak należy zapoznać się szczegółowo z instrukcją obsługi dla danego regulatora. Spotykane jest czasami, że parametry podstawowe dostępne są łatwiej niż zaawansowane lub dostęp możliwy jest po uprzednim wpisaniu hasła dostępu. Często, aby  wejść w tryb ustawień wiąże się to również z karkołomną sekwencją wciśnięcia klawiszy 😉 co jest szczególnie irytujące w przypadku ich nieco gorszego stanu technicznego (zużycia).


Podstawowym parametrem do ustawienia jest zadany cosinus fi (nie należy tego mylić ze współczynnikiem mocy, gdyż te dwa pojęcia nie są tożsame w odkształconych obwodach prądu przemiennego). Zwykle jednak zakłady energetyczne (ściślej – OSD) operują pojęciem tangensa , a jego wymagana wartość graniczna jakiej nie należy przekraczać wynosi 0,4 (jest to relacja energii biernej indukcyjnej do energii czynnej). Po prostych przeliczeniach  cosinus w takim przypadku powinien wynosić minimum ok.0,93 o charakterze indukcyjnym (czyli trochę jeszcze „podbieramy” energii biernej indukcyjnej z sieci, ale na tyle mało, żeby nie ponosić z tego tytułu kary finansowej). Częściej jednak nastawa wynosi trochę więcej z powodu histerezy działania regulatora (szczególnie, gdy mamy nieprzewymiarowany układ kompensacji w stosunku do potrzeb co jest związane z minimalnym czasem rozładowania kondensatora o czym będzie mowa później). Nie należy jednak zwykle przekraczać wartości cosinusa 1 w kierunku pojemnościowym, gdyż może to spowodować niepotrzebne przekompensowanie systemu, ryzyko rezonansu z transformatorem/siecią zasilania, a w konsekwencji – do poważnych uszkodzeń urządzeń w instalacji (nie tylko samego kompensatora). W niektórych typach regulatorów możliwe jest alternatywne operowanie tą nastawą i posługiwanie się bezpośrednio tangensem lub kątem przesunięcia fazowego napięcia/prądu. Zwykle nastawa tego parametru jest ograniczona w zakresie 0,8 (indukcyjny) do 0,8 (pojemnościowy).  Jednak różne regulatory mają odmienną symbolikę związaną z nastawami cosinusa indukcyjnego i pojemnościowego – np. w TWELVE MRM-12 współczynnik pojemnościowy symbolizowany jest przez mrugającą wartość parametru, z kolei np. w NOVAR 1005/1007 współczynnik pojemnościowy podaje się z „-„. W jeszcze innych regulatorach mamy jasno przedstawione czy chodzi o charakter pojemnościowy (ikona kondensatora) czy indukcyjny (ikona cewki).

Kolejne dwa typowe parametry (różniące się jednak szczegółami działania w różnych konstrukcjach) związane są z dopuszczalnymi czasami niedokompensowania oraz przekompensowania. Chodzi o to, że regulator w reakcji na odchyłkę aktualnego cosinusa od zadanego nie podejmował cały czas czynności łączeniowych dla stopni wykonawczych (kondensatorów/dławików), ale żeby te czynności następowały po pewnym czasie. W uproszczeniu regulator dla interwencji (sterowania) w przypadku kompensacji mocy indukcyjnej  opiera się na dwóch przesłankach:

  1. chwilowy cosinus jest niższy niż wartość nastawiona (niedokompensowanie) lub większy (przekompensowanie)
  1. różnica między chwilową wartością mocy indukcyjnej pobieranej przez układ a wyznaczoną przez regulator optymalną wartością dla nastawionego cosinusa równa jest mocy najmniejszego stopnia kompensacyjnego

W takim przypadku nastawa czasu niedokompensowania np. 3 minuty spowoduje, że regulator będzie podejmował interwencję co 3 minuty (jest to tzw. czas interwencji C.T. – control time, nie mylić z równie częstym określeniem CT Current Transformer dla przekładnika prądowego).

W przypadku mniejszych odchyłek niż wartość najmniejszego stopnia czas ten ulega znacznemu wydłużeniu (wyznaczany jest on nadal w relacji do parametru czasu niedokompensowania / przekompensowania) lub regulator może całkiem zaniechać interwencji jeśli odchyłka będzie zbyt mała (szczegóły w instrukcji konkretnego regulatora).  W przypadku znacznie większych odchyłek niż standardowa czas ten ulega wyraźnemu skróceniu.

Typowe wartości nastaw czasów niedokompensowania są rzędu 1-2 min, przekompensowania od pojedynczych sekund do ok. 0,5 minuty. Szczegóły na temat funkcji parametrów czasowych należy szukać w instrukcji regulatora.

Jeszcze do niedawna standardem w konfiguracji regulatorów było niezbędne podanie mocy najmniejszego stopnia (co jak napisane wyżej ma fundamentalne znaczenie dla prawidłowego procesu regulacji), a także niezbędne było prawidłowe ustawienie przekładni przekładnika prądowego.

Mało tego – w jeszcze bardziej prostych konstrukcjach należało wyliczyć samemu pewną wartość określaną w instrukcjach jako c/k, c/n lub Q/n (zależnie od parametrów, które regulator brał do obliczeń). Wyliczona wartość oparta jest właśnie o przekładnię przekładnika prądowego oraz prąd lub moc najmniejszego stopnia. Nastawa tego parametru ma bardzo duże znaczenie w procesie regulacji i należy ją podać prawidłowo według szczegółów instrukcji regulatora.

W zasadzie obecnie nadal te parametry są kluczowe dla prawidłowego procesu kompensacji, jednak w najnowszych konstrukcjach mocno uproszczono ten element (np. przez automatyczny pomiar wartości mocy stopni podczas uruchamiania układu) i nie jest on już niezbędny do ustawienia wprost (ręcznie) przez użytkownika (chociaż zachowana jest zwykle taka możliwość).

W starszych regulatorach istniał wymóg tworzenia ciągu niemalejącego wartości mocy członów (należało również zachować pewne stosunki mocy między kolejnymi członami – odpowiedni tryb ustawiany w parametrze regulatora np.1:2:4:8 co dla najmniejszego stopnia 2 kvar sugeruje ciąg dalszych członów o wartości 4 kvar, 8 kvar, 16 kvar). W niektórych nowoczesnych konstrukcjach jest to obojętne chociaż mimo wszystko nadal jest to powszechnie stosowana praktyka.

Ostatnim ważnym parametrem szczególnie istotnym dla trwałości i bezpieczeństwa urządzenia jest nastawa czasu rozładowania. Niegdyś parametr ten był ustawiany na sztywno i jego wartość (rzędu 60 s) wynikała z ówczesnych zaleceń normy dla producentów kondensatorów (kondensator miał się rozładować do wartości 50V w czasie 1 minuty). Dlatego też układ po załączeniu zasilania nie reguluje od razu, ponieważ nie wie czy przypadkiem któryś stopień nie jest jeszcze naładowany i dla bezpieczeństwa czeka przez zaprogramowany czas. Współczesne konstrukcje są nieco bardziej elastyczne i pozwalają samemu dobrać wartość czasu co związane jest m.in. ze złagodzeniem wymagań normy dla producentów kondensatorów (75V w czasie 3 minut), nadal jednak spotykane są kondensatory z rezystorami pozwalającymi rozładować się do poziomu 50V/1 min dlatego należy bezwzględnie czytać dokumentacje stosowanych elementów kompensacyjnych.

Jeżeli kompensacji ma podlegać moc bierna pojemnościowa, to dochodzą dodatkowe parametry do ustawienia, specyficzne dla określonych regulatorów np. nastawa cosinusa powyżej jakiego do regulacji mają być dołączane dławiki (typowo wskazuje się wartość 1). Starsze regulatory całkowicie nie nadają się do kompensacji mocy biernej pojemnościowej co związane było jedynie z rozliczeniem odbiorców typu zakłady produkcyjne jedynie za energię indukcyjną. Dzisiaj nawet małe podmioty typu serwerownie rozliczane są z tytułu energii biernej i najczęściej w takich obiektach dominuje akurat energia bierna pojemnościowa. Dlatego należy dokładnie rozpoznać czy regulator, który chcemy zastosować ma możliwość sterowania stopniami dławikowymi co nie jest regułą nawet w przypadku najnowszych konstrukcji.


Powyższe parametry są jedynie tymi najbardziej podstawowymi, które należy ustawić na etapie uruchomienia. W prostszych konstrukcjach regulatorów w zasadzie cała konfiguracja sprowadzała się właśnie do ustawienia powyższych parametrów, w nowszych mamy dostępne całe multum dodatkowych chociażby związanych z komunikacją (ETHERNET, RS-485 itp.), konfiguracje alarmów oraz wyjść przekaźnikowych (nie związanych ze stopniami kompensacyjnymi) i wiele innych, zależnych od określonego typu regulatora. Dodatkowo niektóre konstrukcje mają możliwość pełnienia roli analizatora energii – mając bowiem sygnały prądowe i napięciowe oraz przyjmując typowe miejsce montażu kompensatora na rozdzielni głównej można prowadzić analizę pod kątem występowania wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie, profilu harmonicznych i wielu innych parametrów związanych z jakością energii elektrycznej.

Tematyka regulatorów jest bardzo obszerna, omówienie chociażby w stopniu podstawowym konkretnego modelu mogłoby znacznie przekroczyć ramy tego krótkiego artykułu. Dlatego dla zainteresowanych zgłębieniem wiedzy w tym zakresie polecam lekturę instrukcji obsługi oraz kart technicznych urządzeń wspomnianych w powyższej treści. Równocześnie należy zauważyć, że układy kompensacji nie ograniczają się jedynie do (stosunkowo) prostych układów opartych na stycznikach i kondensatorach / dławikach. Dostępne są chociażby „styczniki elektroniczne” współpracujące z regulatorami wyposażonymi również w wyjściowe elementy półprzewodnikowe (np. tranzystory) co pozwala prowadzić bardzo szybką kompensację bez obniżenia trwałości elementów z powodu częstego załączania (ogólnie określa się tą grupę w literaturze jako SVC – Static Var Compensator) . Taki „stycznik elektroniczny” załącza kondensator w odpowiedniej chwili w zależności od napięcia panującego na kondensatorze oraz chwilowej wartości przebiegu napięcia w sieci tak, aby ograniczyć duże wartości prądów łączeniowych kondensatora. W praktyce z moich obserwacji nie są one aż tak popularne jak chociażby kompensatory typu SVG – Static Var Generator , które bardzo szybko zdobywają rynek, są bardzo efektywne w działaniu, jednak nadal jeszcze trochę droższe niż klasyczne konstrukcje. Możliwe są dla nich do realizacji dodatkowe akcje związane z poprawą parametrów jakości energii jak np. symetryzacja obciążenia, regulacja napięcia zasilania w danym punkcie układu, filtracja harmonicznych. Nie sądzę jednak, aby tradycyjne układy kompensacji oparte na prostych układach stycznikowych z regulatorami odeszły w najbliższym czasie do lamusa – nadal prawdopodobnie będą one bardziej opłacalne ekonomicznie w obiektach o znacznych mocach i względnie małej dynamice obciążenia.

Jeżeli temat okaże się ciekawy dla czytelników, mogę spróbować go rozwinąć w kolejnych publikacjach (oczywiście merytorycznie mieszczących się w zakresie tematycznym portalu).

Dziękuję za lekturę i pozdrawiam!



Utworzono: / Kategoria:
  • Autor: Łukasz Bednarz
  • Z wykształcenia jestem inżynierem automatykiem. Interesują mnie prywatnie i zawodowo tematy związane z szeroko pojętą automatyką i energoelektroniką (głównie napędy elektryczne, źródła i magazyny energii elektrycznej). Zapraszam do czytania moich publikacji oraz kontaktu.
  • Profil Autora

Reklama

Newsletter

Zapisz się i jako pierwszy otrzymuj nowości!



PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ



NAJNOWSZE PUBLIKACJE OD UŻYTKOWNIKÓW I FIRM

Reklama



POLECANE FIRMY I PRODUKTY