Úspory energie, korekce účiníku a stabilizace napětí v reálném čase   

 Výrobní firmy, které ve svém procesu využívají například svařování, lisování, velké motory a jiné energeticky náročné kroky se v drtivé většině potýkají s problémovou elektrickou energií. Nežádoucí vliv je generován rychlými změnami zátěže a jalovou energií, která je potřebná například pro rozběh pohonů, kompresorů apod. Tím dochází k rozdílu mezi činným a jalovým výkonem a je reprezentován účiníkem - hodnotou v ideálním případě rovnající se 1.  Ze zákona tato sledovaná hodnota nesmí klesnout pod 0,95, a tak existují řešení pro korekci účiníku založená na kompenzaci požadovaných výkonů.

 Běžná korekce účiníku je v současnosti řešena využitím kontroléru řízeného mikroprocesorem, který vyhodnocuje cos φ nebo úhel mezi napětím a proudem. Vyhodnocení bývá většinou v průběhu několika cyklů sítě. Po získání informace o momentálním cos φ je tento porovnán s cílovým cos φ a je připojen dílčí kapacitorový blok, přičemž je tento postup opakován až do dosažení cílového cos φ.

Tento cyklus může trvat 1 až 10 s při použití mechanických spínacích prvků a při použití polovodičových spínačů podle velikosti potřebné kompenzační kapacity stovky cyklů sítě. Během procesu připojování kapacitorů se vytvářejí přechodové jevy, a to jak v případě mechanických, tak i elektronických spínačů. Vezme-li se v úvahu, že např. svařovací impulz bodového svařovacího stroje trvá od 10 do 26 cyklů frekvence sítě, což je 200 až 430 ms, a u některých strojů i méně, jsou systémy této konstrukce pro zmíněné a podobné případy naprosto neúčinné z hlediska kompenzace cos φ, a tím i redukce proudů. Navíc, jak již bylo zmíněno, při spínání náhodně vznikající přechodové děje ovlivňují činnost různých výrobních zařízení i významně zkracují jejich životnost. Působením takto vznikajících přepěťových špiček se zkracuje životnost vlastních kompenzačních kondenzátorů.

Díky dlouhým reakčním dobám běžných kompenzačních systémů je doba pro určení potřebné kapacity stále na úrovni ne kratší než 100 ms. A to se týká jak již popsaných běžných, tak i nově nabízených systémů, tzv. rychlých, které připojují potřebnou velikost kompenzační kapacity najednou a ne po krocích, a dosahují proto větší reakční rychlosti.

Přihlédne-li se k rychlosti impulzů např. svařovacích strojů, ale i jiných rychlých technologických zařízení, jako jsou vstřikovací lisy, rozběhy motorů apod., a k nutnosti zpoždění připojení kapacitorů u těchto běžných kompenzátorů pro zabránění přechodovým jevům, je celková reakční doba i momentálně nejrychlejších systémů srovnatelná s šíří pracovního cyklu těchto zařízení.

Z tohoto stavu je patrné, že takto pracující kompenzátory nemohou mít vliv na rychlé poklesy napětí, velikost napěťového flickeru ani na okamžité změny proudu. Při svařování, tlakovém lisování a všude tam, kde rychlé připojování velkých zátěží dominuje energetické zátěži, je dopad takovýchto systémů na zlepšení kvality elektřiny, úspor energie, kvalitu výroby či využití energetické sítě minimální.

Řešení pracující v reálném čase

V reakci na tuto situaci s využitím konvenčních systémů pro korekci účiníku používají systémy pracující v reálném čase (Real Time Reactive Power Compensation, RTRPC) elektronické spínací prvky, které mohou připojovat různé velikosti kapacitních kroků bez vytváření přechodových jevů a přepěťových špiček. Jako výsledek lze získat spínání bez přechodových jevů a odstranění velkého napěťového namáhání kapacitních prvků.

Přestože na trhu je již několik systémů, které využívají spínání bez přechodových jevů, používají stále postupné připojování jednotlivých kroků, a vykazují tedy pomalou reakci. Systémy „statické“, které jejich výrobci nazývají „rychlými“, sice používají „okamžité“ připojení odpovídající velikosti kapacitorů, ale jejich reakční doba je nedostatečná vzhledem k rychlosti změn proudů a napětí nyní v průmyslu běžných, a tak mají podobnou účinnost při korekci rychlých dějů jako systémy s postupným zapojováním bank.

Klíčovým kritériem pro tyto aplikace je totiž zpoždění mezi situací na síti – počátkem rychlé změny proudu v síti (např. startem svařovacího pulzu), a časem provedení, tedy celkovou dobou měření, výpočtu a připojením celkového reaktivního výkonu k síti potřebného pro kompenzaci.

Kapacitory takového systému skutečně pracujícího v reálném čase (RTRPC), například Elspec EQUALIZER, jsou nabíjeny nepřetržitě. Algoritmus výpočtu a kontrolér zajistí, že kompletní elektrické připojení potřebného reaktivního výkonu k síti je provedeno v polovině cyklu sítě (2 až 10 ms) při průchodu proudu nulou a s předem nabitými kapacitory na napětí shodné se sítí.

U tzv. rychlých systémů je rozdíl pouze v tom, že sice připojují potřebný reaktivní výkon najednou, ale v čase násobků periody sítě s nutností „čekání“ pro potlačení přechodových jevů. Toto potřebné zpoždění je závislé na momentálním stavu při připojování kapacitorů a může trvat i několik period. Výsledkem je, že reakční doba takovýchto systémů je sice poněkud kratší než u konvenčních řešení, ale stále několikanásobně delší než doba potřebná k stabilizaci napětí či potlačení špiček proudu při rychlém připojování zátěží.

Velké a rychlé změny reaktivního výkonu běžně nastávají během rozběhů velkých motorů, svařovacích operací a nesynchronních činností mnoha motorů s častým cyklem zapínání a vypínání, což je v současných technologiích v průmyslu naprosto běžný jev. Systém RTRPC minimalizuje negativní účinky činnosti těchto zátěží téměř okamžitou kompenzací reaktivního výkonu, potenciální eliminací napěťového flickeru a stabilizací napětí sítě.

Kompenzátory RTRPC s bezpřechodovými spínacími prvky jsou tak ideálním systémem nejen pro výrobní závody, ale i pro instituce vysoce citlivé na kvalitu elektrické sítě, jako jsou nemocnice, letiště, datová centra apod.

Zvýšený výkon systému a redukce ztrát

Kompenzace reaktivní energie redukuje velikost příslušného zdánlivého výkonu (kV•A) a s ním spojeného zatěžovacího proudu. Všechny prvky nad instalovanou kompenzací pak profitují ze sníženého proudu:

–     Úspory/investice: potenciální snížení investice do transformátorů, průřezů sběrnic v rozvaděčích, kabelů a dalších prvků vedoucích proud.

–     Zvýšené využití: možnost přidat další zařízení na „odlehčené“ transformátory a elektrickou síť díky uvolnění „kapacity“ transformátoru redukcí jalového výkonu.

Souhrn

Kompenzace pracující v reálném čase jednoznačně nabízí přínosy daleko přesahující použití konvenčních i tzv. „rychlých“ systémů vyskytujících se v současnosti na trhu. Kromě redukce jalového výkonu se jejím působením zlepšuje kvalita výroby, filtrace harmonických, jsou redukovány rychlé změny napětí, omezen flicker, minimalizována údržba, zvýšena finanční flexibilita infrastruktury a též uspořena elektrická energie.

Jaroslav Smetana, ředitel společnosti Blue Panther

Další podrobnosti o kvalitě elektrické energie nebo o systémech EQUALIZER lze získat od výhradního zástupce firmy Elspec, společnosti Blue Panther, s. r. o. http://www.blue-panther.cz