Električne naprave induktivnega značaja prinašajo v električni sistem neželeno jalovo moč. Ta pojav je zaradi večje prisotnosti induktivnih bremen najpogostejši v industriji in nastane kot posledica faznega kota (φ) med napetostjo in tokom, ki je pri bremenih induktivnega značaja pozitiven, pri kapacitivnih pa negativen. Proizvodnja in prenos jalove energije tudi za elektrogospodarstvo nista gospodarna, zato ju skuša zmanjšati z dodatnim zaračunavanjem tistega dela jalove energije, ki ga podjetje prevzame pri faktorju delavnosti pod 0,95. Faktor delavnosti povečamo s pomočjo kompenzacije jalove energije, pri kateri jalovo moč induktivnega značaja kompenziramo z jalovo močjo kapacitivnega značaja. Tako se jalova energija pretaka le med induktivnim in kapacitivnim bremenom (kondenzatorjem), ki služi kot shranjevalnik jalove energije. Z uporabo kompenzacije jalove energije tako podjetja izboljšajo izkoristek razpoložljive moči, razbremenijo omrežje, podaljšajo življenjsko dobo strojev in naprav in hkrati še prihranijo pri mesečnem strošku za elektriko.

Električne naprave, kot so motorji, transformatorji, dušilke, indukcijske peči, varilni aparati idr., ki predstavljajo induktivno breme, nam prinašajo v električni sistem neželeno jalovo moč, ki nam dodatno obremenjuje napeljavo, stikala in viša račun za električno energijo, saj elektro distribucijska podjetja jalovo moč dodatno zaračunajo. To velja za vse industrijske porabnike. V uradnem listu RS št. 46/2018 ''Akt o metodologiji za določitev regulativnega okvira in metodologiji za obračunavanje omrežnine za elektrooperaterje'' v 123. členu piše: »Elektrooperater ugotavlja čezmerni prevzem jalove ali oddane energije na osnovi 15-minutnih meritev jalove in delovne energije na posameznih prevzemno-predajnih mestih uporabnika. Čezmerna prevzeta jalova energija je razlika med dejansko izmerjeno jalovo energijo in dovoljeno prevzeto ali oddano jalovo energijo v 15-minutnem merilnem intervalu, ki ustreza faktorju tg φ ind=+0,32868 ali tg φ kap= -0,32868. Čezmerno prevzeta jalova energija se obračuna mesečno in je vsota vseh 15-minutnih absolutnih vrednosti čezmerno prevzete in čezmerno oddane jalove energije v obračunskem mesecu. Elektrooperater ne obračuna čezmerno prevzete in čezmerno oddane jalove energije uporabniku, ki se mu moč ugotavlja s pripravo za preprečevanje prekoračitev dogovorjene obremenitve oziroma uporabniku, čigar priključna moč je enaka ali manjša od 43 kW. «

Jalova moč nastane kot posledica faznega kota (φ) med napetostjo in tokom. Pri bremenih induktivnega značaja je ta kot pozitiven, pri kapacitivnih pa negativen.

Slika1: Čista delovna moč (tok in napetost sta v fazi) Slika2: Realno – pojav faznega kota

Pogosteje kot fazni kot se uporablja termin faktor delavnosti – cos φ s katerim določamo tudi razmerje med navidezno močjo S(VA), delovno močjo P(W) in jalovo moč Q(Var).

; Skupaj nam ti trije kazalci tvorijo pravokotni trikotnik moči ();

Glede na predznak faznega kota φ je Q kapacitivnega bremena negativna, pri induktivnem pa pozitivna. Problem jalove moči je tako najpogostejši v industriji (večja prisotnost induktivnih bremen v strojih, dušilke pri razsvetljavi, transformatorji,…).

Jalovo moč induktivnega značaja lahko kompenziramo z jalovo močjo kapacitivnega značaja, ker je nasprotnega predznaka. Kar pomeni, da k bremenu vzporedno vežemo kondenzator. Tako se jalova energija pretaka le med induktivnim bremenom in kondenzatorjem, ki služi kot shranjevalnik jalove energije.

Slika3: Nekompenziran sistem Slika3: Kompenziran sistem

Poznamo različne načine kompenzacije:

- Lokalna kompenzacija, večjemu porabniku neposredno priključimo kompenzacijski kondenzator. Npr. vezava kondenzatorja vzporedno k motorju.

- Skupinska kompenzacija, skupini porabnikov priključujemo kompenzacijske kondenzatorje ročno ali avtomatsko po potrebi, zavisi od trenutno vklopljenih bremen. Npr. skupini motorjev, ki vedno obratujejo istočasno priključimo skupni kompenzacijski kondenzator.

- Centralna kompenzacija, kompenzacija vseh porabnikov v nekem sistemu, npr. kompenzacija celotne tovarne ali proizvodnega obrata. Tu uporabimo dinamični sistem, avtomatsko kompenzacijsko napravo, ki sproti glede na dano situacijo (trenutna potreba po jalovi energiji, ki je odvisna od kombinacije vklopljenih/izklopljenih porabnikov) vklaplja in izklaplja potrebno število kondenzatorjev.

Za natančno določitev tipa kompenzacijske naprave je potrebno izvesti meritve in analizo kvalitete električne energije, natančneje porabe jalove energije in pa THD analizo višjih harmonikov, ki se pojavljajo v sistemu. Ker je v elektrotehniki v uporabi vse več elementov z nelinearno karakteristiko, v realnosti signal ni sinusen s frekvenco 50 Hz, temveč so dodani še lihi večkratniki: 150Hz, 250Hz, 350Hz, itd. Zato lahko pri kompenzacijski napravi pride do pojava resonance. Tako se z THD analizo izmeri v katerih mejah so vrednosti večkratnikov harmonskih komponent in kateri so najbolj kritični. Glede na te rezultate se določi filter, ki zaduši te frekvence, najpogosteje so to filtrske dušilke. V nasprotnem primeru lahko pride do uničenja elementov kompenzacijske naprave ali celo požara. Pomembno je, da načrtovalec oz. projektant pravilno določi elemente, ki so potrebni za sestavo kompenzacijske naprave.

Kot srce kompenzacijske naprave je PFC kontrolnik, ki meri fazni kot med tokom in napetostjo - φ in v banki kondenzatorjev po potrebi vklaplja in izklaplja kondenzatorje s pomočjo kondenzatorskih kontaktorjev.

Slika5: Nadzorna plošča in vezalna shema kontrolnega dela avtomatske kompenzacijske naprave

Na vhodih »S1-S2«, prek merilnega transformatorja kontrolnik meri velikost toka in prehod skozi »0«. Medtem, ko napetost lahko meri neposredno na vhodu »Auxiliary supply«, ravno tako prehod napetosti skozi »0«.

Kontrolnik gleda razliko prehodov toka in napetosti skozi »0« (slika2) in določi fazni kot φ, ter jalovo moč. Glede na velikost posameznih stopenj v banki kondenzatorjev priklopi ustrezno število kondenzatorjev, ki so potrebni za kompenzacijo, preklop kontaktorjev na izhodu »C1…n«. Povečini se uporabljajo 3 tipi kontrolnikov glede na različno število krmilnih izhodov: 6, 8, 12, vsak izhod krmili eno kondenzatorsko stopnjo. Zaradi morebitnih servisnih posegov je dodano tudi stikalo »Q1«, ki omogoča izklop banke kondenzatorjev, medtem ko porabnik »LOAD« deluje naprej nemoteno.

Slika 6: Banka kondenzatorjev – 3 stopnje.

Posamezno vejo sestavlja varovalka s podnožjem oziroma ločilnikom, najpogosteje so to NV varovalke. Pri dimenzioniranju varovalke ne smemo pozabiti na ustrezno nazivno napetost, ki mora biti dovolj visoka za zanesljivo delovanje. Najbolje je, da uporabimo gCP varovalko, katere karakteristika je posebej prilagojena za zanesljivo in varno delovanje. Nazivni tok varovalke mora tudi biti ustrezno predimenzioniran, zaradi velikega toka ob začetku polnjenja praznega kondenzatorja. Prazen kondenzator ob vklopu predstavlja skoraj kratek stik, nazivni tok je lahko tudi 70 krat večji. Zato se za priklop kondenzatorjev na napajanje uporabljajo tako imenovani kondenzatorski kontaktorji CEM_CN. Posebnost teh kontaktorjev je, da imajo poleg ustreznih glavnih kontaktov dodane tudi prehitevajoče pomožne kontakte z žičnimi upori, ki imajo funkcijo le ob vklopu kontaktorja za omejitev polnilnega toka, ker najprej steče prek žičnatih uporov, nato pa z zakasnitvijo sklene glavne kontakte, prek katerih se kondenzator, ki ni več povsem prazen napolni na končno vrednost. Na ta način močno zmanjšamo ta »tokovni šok« in podaljšamo življenjsko dobo kontaktov, varovalk in povezav. V programu imamo različne tipe kontaktorjev glede na nazivno jalovo moč (7,5 do 65kVAr).

Sledijo še dušilke HFL, ki imajo funkcijo dušenja višjih frekvenc (večkratnikov osnovne frekvence) in s tem preprečitev pojava resonance ter preobremenitve elementov. Poleg tega pa pozitivno vplivajo tudi na čistost sinusnega signala, izboljšajo THD sistema. Slabost dušilk je ta, da se močno grejejo, saj imajo zaradi dušitve nizkih frekvenc (250 ali 150Hz) veliko induktivnost in impedanco, zato se lahko segrejejo tudi do 150⁰C.

Izbiramo lahko med dušilkami z navitjem iz Al žice (cenejše, večja upornost in več gretja) ali Cu žice (dražja, nižja upornost in manj gretja) za različne moči od 5 do 100kVAr. Glede na tip frekvence, ki jo želimo dušiti pa ločimo p=7% ( filtriranje od 5. Harmonika -250 Hz navzgor) in p=3% (filtriranje od 3. Harmonika – 150 Hz navzgor).

Na koncu veje sledi še LPC kondenzator v Al ohišju za različne moči od 2,5kVAr do 50kVAr, napetosti od 400 do 525 V. Pri kondenzatorju je pomembno tudi, da ustreza zahtevam standarda IEC 60831, kar med drugim pomeni, da mora imeti priključen praznilni upor, ki zagotavlja, da se kondenzator po izključitvi z napetostnega vira izprazni pod 75V v treh minutah. Tako preprečimo polnjenje še ne praznega kondenzatorja (razlika potencialov) in pa nevarnost električnega udara, pri servisu. Kondenzatorji imajo tudi vgrajeno zaščito pred povišanim tlakom z oslabljeno povezavo v notranjosti, ki prepreči ekspanzijo ohišja in odprtje v primeru preobremenitve z pretrganjem te povezave. Poleg tega pa imajo še funkcijo samo ozdravitve v primeru preboja med prevodnima ploščama, ko na prebojnem mestu tanka kovinska plast zaradi lokalno povišane temperature izpari in prebojno mesto je v trenutku izolirano. Tako kondenzator deluje še naprej in dosega dolgo življenjsko dobo, 100.000 delovnih ur ali več.
 

Kondenzatorski kontaktor »CEM_CN« Dušilka »HFL« »LPC« kondenzator

Uporaba kompenzacijske naprave in posledično izboljšanje faktorja delavnosti je tako ena izmed najboljših naložb za zmanjšanje stroškov električne energije s kratko dobo vračanja investicije. Poleg prihranka za električno energijo si povečate učinkovitost omrežja, ohranjate nižjo obračunsko moč, podaljšujete življenjsko dobo vaših strojev in naprav in nenazadnje zmanjšujete tudi negativen vpliv na okolje.