Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών Ενότητα: Χωρητική Αντιστάθμιση Ισχύος Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

3 1. Σκοπός Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Τρόποι Χωρητικής Αντιστάθμισης Πειραματική Διάταξη Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης Βιβλιογραφία:

4 1. Σκοπός Ο σκοπός αυτής της ενότητας είναι η εξοικείωση του σπουδαστή με την έννοια της χωρητικής αντιστάθμισης ισχύος αλλά και της υλοποίησης της, η οποία (πρέπει να) λαμβάνει χώρα στις εγκαταστάσεις της βιομηχανίας. Το άμεσο αποτέλεσμα της αντιστάθμισης ισχύος είναι ο περιορισμός της άεργου ισχύος και συνεπώς μείωση του κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και των απωλειών του συστήματος. 1.2 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Μια βιομηχανική ηλεκτρική εγκατάσταση περιλαμβάνει ένα σημαντικό αριθμό καταναλώσεων μεγάλης ισχύος όπως: ηλεκτρικοί κινητήρες, φωτιστικά σώματα φθορισμού, εκφορτίσεως υψηλής έντασης (λαμπτήρες υδραργύρου υψηλής πίεσης και λαμπτήρες νατρίου χαμηλής και υψηλής πίεσης), στατικοί μετατροπείς κυκλώματα τροφοδοτημένα από μετασχηματιστές ισχύος. Η συμπεριφορά όλων των παραπάνω φορτίων αποκλίνει σημαντικά από αυτή της ωμικής αντίστασης. Στη ουσία η φύση των καταναλώσεων αυτών είναι επαγωγική με άμεσο αποτέλεσμα την εμφάνιση σημαντικής ποσότητας άεργου ισχύος. Ας θεωρήσουμε ότι το ισοδύναμο κύκλωμα ανά φάση της συνολικής ηλεκτρικής εγκατάστασης ή ενός επιμέρους φορτίου περιγράφεται με την βοήθεια μιας ωμικής αντίστασης R και μιας αυτεπαγωγής L όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. I R U L S φ P Q Σχήμα 1.1 R-L φορτίο και διάγραμμα ισχύος Η φαινόμενη ισχύς S που απορροφάται από το παραπάνω κύκλωμα είναι ίση με το γινόμενο της τάσης U και του ρεύματος Ι που διαρρέει το κύκλωμα. Εάν η πραγματική ισχύς που απορροφά το φορτίο (και προφανώς μετατρέπεται σε ωφέλιμο έργο) είναι P ενώ η άεργος ισχύς είναι Q τότε ισχύει παρακάτω σχέση: 2 2 S P Q σε Εξ. 1-1 Χρησιμοποιώντας το διάγραμμα των ισχύων στο Σχήμα 2.1 προκύπτουν τα παρακάτω: P S cos σε kw Q S sin σε kvar Εξ. 1-2 Εξ. 1-3 Q tan Εξ. 1-4 P 4

5 Η ισχύς η οποία είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ωφέλιμου έργου σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση ή σε ένα επιμέρους φορτίο είναι η πραγματική ή αλλιώς μέση ή ενεργός ισχύς P η οποία δίνεται από την Εξ Είναι φανερό ότι η πραγματική ισχύς εξαρτάται ιδιαιτέρως από την τιμή του cosφ, μέγεθος που υποδηλώνει την φύση του φορτίου (επαγωγικό) ή με άλλα λόγια το συνημίτονο της διαφοράς φάσης μεταξύ της τάσης και του ρεύματος που απορροφά μια κατανάλωση. Στην πραγματικότητα, δεδομένου ότι η τάση τροφοδοσίας και το cosφ (συντελεστής μετατόπισης ή συντελεστής ισχύος όταν δεν υπάρχουν αρμονικές συνιστώσες) είναι σταθερά, το φορτίο θα απορροφήσει το ρεύμα που χρειάζεται ώστε να αποδώσει το έργο για το οποίο προορίζεται. Επομένως, εάν το cosφ έχει μικρή τιμή (ισχυρά επαγωγικό φορτίο) το ρεύμα θα αυξηθεί αρκετά συγκρινόμενο με την περίπτωση που το φορτίο ήταν ωμικό. Η αυξημένη τιμή ρεύματος λόγω της επαγωγικής φύσης των φορτίων έχει τα παρακάτω αποτελέσματα: 1. Αύξηση των απωλειών στις γραμμές μεταφοράς και των αγωγών τροφοδοσίας. 2. Υπέρ-διαστασιολόγηση των αγωγών μεταφοράς και τροφοδοσίας. 3. Μη ορθολογική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας. 4. Προβλήματα ευστάθειας στο ηλεκτρικό δίκτυο. Οι επιχειρήσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και οι διαχειριστές του ηλεκτρικού δικτύου επιβάλλουν στους βιομηχανικούς καταναλωτές την βελτίωση του συντελεστή ισχύος τους cosφ Τρόποι Χωρητικής Αντιστάθμισης Η χωρητική αντιστάθμιση αποσκοπεί στην μείωση της άεργου ισχύος Q του φορτίου σε μια μικρότερη τιμή Qα χρησιμοποιώντας πυκνωτή αντιστάθμισης. Η αντιστάθμιση αυτή μπορεί να γίνει τοποθετώντας έναν πυκνωτή (συνήθως συστοιχία πυκνωτών) Σε σειρά με το φορτίο ή Παράλληλα με αυτό. Ακόμα, η αντιστάθμιση μπορεί να είναι Κεντρική (στην κεντρική παροχή ηλεκτρικής ενέργειας) είτε Ομαδική (σε ομάδα φορτίων ή στον υποπίνακα της ηλεκτρικής εγκατάστασης) είτε Ατομική (σε κάθε φορτίο ξεχωριστά). Στην εν σειρά χωρητική αντιστάθμιση ο πυκνωτής διαρρέεται από το ισχυρό ρεύμα της εγκατάστασης. Αυτού του είδους η αντιστάθμιση χρησιμοποιείται κυρίως: 5

6 Στην σταθεροποίηση δικτύων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, Στην ρύθμιση των μεταβολών της τάσης στο δίκτυο και Στη διατήρηση της συμμετρίας σε φορτία με μεγάλες μεταβολές. Η εν παραλλήλω χωρητική αντιστάθμιση χρησιμεύει για τη βελτίωση του συντελεστή ισχύος στη περίπτωση ομαδικής ή κεντρικής αντιστάθμισης. Η κεντρική αντιστάθμιση ισχύος υλοποιείται με την χρησιμοποίηση αυτομάτου συστήματος παράλληλων πυκνωτών με την βοήθεια του οποίου γίνεται ζεύξη κατάλληλου αριθμού πυκνωτών αλλά και απόζευξη σε περίπτωση χωρητικής συμπεριφοράς της κατανάλωσης κατά την αντιστάθμιση. Στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις η απαιτούμενη ισχύς των πυκνωτών κεντρικής αντιστάθμισης καθορίζεται με υπολογισμό του μέσου όρου του μεγέθους WQ tan Εξ. 1-5 W P όπου οι άεργος ισχύς WQ και η πραγματική ισχύς WP προκύπτουν από μετρήσεις επί αρκετές ημέρες. i ic ir il U C R L α) θ ir U i il β) φ ir U i ic γ) il 6

7 Σχήμα 1-2 Χωρητική αντιστάθμιση ισχύος εν παραλλήλω Στο Σχήμα 2-2α παρουσιάζεται το βασικό κύκλωμα της εν παραλλήλω χωρητικής αντιστάθμισης. Στα σχήματα 2-2β και γ παρουσιάζονται τα φασικά διαγράμματα χωρίς κα με χωρητική αντιστάθμιση. Στην περίπτωση της αντιστάθμισης η συνολική άεργος ισχύς Q tot είναι Q Q Q Εξ. 1-6 tot Όπου: C Q = Η άεργος ισχύς χωρίς αντιστάθμιση QC = Η άεργος ισχύς του πυκνωτή αντιστάθμισης Από το Σχήμα 2-2β προκύπτει ότι tan Q P Εξ. 1-7 Από το Σχήμα 2-2β προκύπτει ότι Q Q Q P P tot C tan Εξ. 1-8 Αφαιρώντας κατά μέλη τις Εξ. 2-7 και Εξ. 2-8 προκύπτει QC tan tan P ή Q C P tan tan Εξ. 1-9 Από την Εξ. 2-9 μπορεί να υπολογιστεί η χωρητική άεργος ισχύς (ή διαφορετικά οι πυκνωτές που απαιτούνται) για την αύξηση του συντελεστή ισχύος από cosθ σε cosφ. 7

8 1.2.2 Πειραματική Διάταξη V L1 cosφ L2 L3 A C3 3-Φασικός Επαγωγικός Κινητήρας C1 C2 Ρελέ ελέγχου M DC A Διέγερση MG DC Γεννήτρια Ξένης Διέγερσης A V Φορτίο Σχήμα 2-3 Πειραματική Διάταξη Εργαστηριακής Άσκησης - Χωρητική Αντιστάθμιση Ισχύος Στο Σχήμα 2-3 παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη που αντιστοιχεί στην συγκεκριμένη εργαστηριακή ενότητα. Το κύκλωμα αποτελείται κυρίως από: έναν ασύγχρονο τριφασικό κινητήρα βραχυκυκλωμένου δρομέα ισχύος XX hp, σετ πυκνωτών εναλλασσομένου ρεύματος, dc γεννήτρια ξένης διέγερσης και μονοφασικό φορτίο, μετρητικά όργανα και ρελέ για τον χειρισμό του κινητήρα και των πυκνωτών αντιστάθμισης. Με την βοήθεια της πειραματικής διάταξης θα μελετηθεί η συμπεριφορά του τριφασικού κινητήρα χωρίς και με χωρητική αντιστάθμιση. Ο ρόλος της dc γεννήτριας μαζί με το ωμικό φορτίο είναι να αποτελέσει φορτίο (και μάλιστα μεταβλητό) για τον άξονα του κινητήρα. Στη συγκεκριμένη άσκηση το ωμικό φορτίο της γεννήτριας θα είναι σταθερό (η τιμή του θα δοθεί από τους διδάσκοντες) ενώ η διέγερση θα είναι μεταβλητή (τροφοδοσία από variac και ανόρθωση) έτσι ώστε να μεταβάλλεται ομαλά το φορτίο στον άξονα του ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα επιτυγχάνοντας καταγραφεί των συνθηκών λειτουργίας σε διαφορετικές φορτίσεις του. Πιο συγκεκριμένα: Κάθε σειρά (σετ) μετρήσεων θα γίνεται πρώτα χωρίς αντιστάθμιση και στην συνέχεια με αντιστάθμιση συμπληρώνοντας τους πίνακες 2-1 και 2-2. Στο πρώτο πίνακα η τιμή του cosφ (χωρίς αντιστάθμιση) θα ξεκινά από 0,5 έως 0,85 με βήμα 0,05 και θα επιτυγχάνεται προσφέροντας την κατάλληλη διέγερση στην dc γεννήτρια. Στην συνέχεια θα επιχειρείται αντιστάθμιση συνδέοντας κατάλληλους πυκνωτές (σε συνδεσμολογία αστέρα) με σκοπό την όσο δυνατή καλύτερη αντιστάθμιση του κινητήρα (cosφ 1) και βέβαια καταγραφή των νέων ηλεκτρικών μεγεθών στο πίνακα

9 Πίνακας 1-1 Χωρίς Αντιστάθμιση Vin (Volt) Iin (A) Sin (VA) cosφ Pin (W) Vo (Volt) Po (W) n (%) Πίνακας 1-2 Με Αντιστάθμιση Vin (Volt) Iin (A) Sin (VA) cosφ Pin (W) Vo (Volt) Po (W) n (%) Τα μεγέθη V in, I in, cosφ, cosθ και Po προέρχονται από μετρήσεις ενώ τα υπόλοιπα υπολογιστικά. Συγκεκριμένα: η S in είναι η φαινόμενη ισχύς εισόδου του κινητήρα, P in η πραγματική απορροφώμενη ισχύς, Po η dc ισχύς εξόδου που απορροφά το ωμικό φορτίο και n ο βαθμός απόδοσης της συνολικής διάταξης δηλ n= P o /P in Σχεδιάστε τις γραφικές παραστάσεις των μεγεθών S in, P in, I in, cosφ και n χωρίς και με αντιστάθμιση συναρτήσει της ισχύος εξόδου Po σε ξεχωριστούς άξονες για κάθε μέγεθος, κοινούς όμως για το ίδιο μέγεθος χωρίς και με αντιστάθμιση. 9

10 1.3 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης 1. Σχολιάστε τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Τι συμπεράσματα προκύπτουν από την μελέτη των γραφικών παραστάσεων που καλείστε να σχεδιάσετε; 2. Θεωρείστε την περίπτωση μιας εκτεταμένης βιομηχανικής εγκατάστασης στην οποία α) Κάθε επαγωγικό φορτίο της αντισταθμίζεται τοπικά ή β) Υπάρχει κεντρική αντιστάθμιση. Πώς μεταβάλλεται η απορροφώμενη πραγματική ισχύς της σε κάθε περίπτωση; Εσείς ποια περίπτωση θα προτιμούσατε και γιατί; 1.4 Βιβλιογραφία: 1. Γ.Χ. Ιωαννίδης, Σημειώσεις Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών μέρος Β, Αιγάλεω H.B.Cary, Modern Welding Technolog, Prentice Hall, N.Mohan, T.M. Undeland, Power Electronics, Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, Στέφανος Μανιάς, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις Συμεών, Στέφανος Μανιάς, Αθανάσιος Καλετσάνος, «Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά», Εκδόσεις Συμεών,