Compensarea factorului de putere: baza fizica, dimensionare si criterii de evaluare

Compensarea factorului de putere este una dintre putinele interventii electrice al caror efect asupra facturii este direct cuantificabil. Este si domeniul in care circula cel mai frecvent solutii fara fundament tehnic. Ambele situatii au aceeasi cauza: fenomenul este determinist si masurabil, dar insuficient cunoscut in afara mediului tehnic.

1. Definirea fenomenului

Intr-un circuit de curent alternativ cu sarcina pur rezistiva, tensiunea si curentul sunt in faza, iar intreaga energie transportata este convertita in lucru util.

Majoritatea receptoarelor industriale si comerciale nu prezinta acest comportament. Un motor electric necesita energie pentru mentinerea campului magnetic. Aceasta energie nu este consumata, ci schimbata alternativ cu reteaua in cadrul fiecarei perioade. Rezultatul este un defazaj inductiv, in care curentul este defazat in urma tensiunii.

Consecinta este ca reteaua transporta un curent superior celui corespunzator energiei active consumate. Conductoarele, transformatorul si aparatajul sunt dimensionate pentru acest curent total. Distribuitorul factureaza energia reactiva peste un prag stabilit contractual, intrucat aceasta componenta ocupa capacitatea de transport fara a produce lucru util.

Compensarea consta in introducerea unei reactante de semn opus, dimensionata astfel incat cele doua componente sa se anuleze, iar curentul sa revina in faza cu tensiunea. Energia activa consumata ramane neschimbata; se elimina componenta facturata suplimentar.

2. Componenta capacitiva a energiei reactive

Caracterul inductiv al sarcinilor cu motoare este general cunoscut. In instalatiile actuale intervine insa, tot mai frecvent, componenta de sens opus.

Sarcinile capacitive introduc un defazaj in care curentul este defazat inaintea tensiunii. Sursele uzuale sunt urmatoarele:

• Iluminatul LED, prin sursele de alimentare ale corpurilor. Contributia individuala este redusa; la cateva sute de corpuri instalate devine semnificativa.
• Convertizoarele de frecventa, prin condensatoarele circuitului intermediar si prin filtrele de intrare.
• Echipamentele UPS si sursele in comutatie, in special in regim de sarcina redusa.
• Capacitatea distribuita a cablurilor, relevanta in retele de lungime mare.
• Baterii de condensatoare supradimensionate sau mentinute cuplate la scaderea sarcinii inductive, situatie in care sistemul de compensare genereaza chiar abaterea pe care ar trebui sa o corecteze.

In consecinta, o instalatie poate prezenta caracter inductiv in perioada de productie si caracter capacitiv in regim redus, cand raman in functiune iluminatul si echipamentele IT. Ambele abateri sunt, de regula, facturate. O compensare care corecteaza exclusiv componenta inductiva rezolva partial problema si o poate agrava in regim de sarcina redusa.

Din acest motiv, dimensionarea necesita un profil inregistrat pe minimum cateva zile complete, incluzand perioadele de sarcina redusa si zilele nelucratoare. Exista situatii in care concluzia auditului este ca instalatia nu necesita compensare, iar componenta facturata provine din alta cauza.

3. Structura unui sistem de compensare

Un sistem de compensare functional cuprinde urmatoarele elemente:

• Baterii de condensatoare in trepte, cuplate si decuplate in functie de sarcina masurata in timp real. O compensare fixa este corecta intr-un singur punct de functionare si eronata in rest.
• Regulator de factor de putere, care masoara permanent defazajul si comanda treptele.
• Contactoare specializate pentru comutarea condensatoarelor, prevazute cu rezistente de preincarcare. Aparatajul de comutatie uzual nu suporta curentul de varf la cuplarea unui condensator descarcat.
• Bobine de dezacordare, in instalatii cu continut de armonici. In prezenta convertizoarelor, o baterie de condensatoare fara bobine poate intra in rezonanta cu inductanta retelei, cu amplificarea armonicilor si degradarea accelerata a condensatoarelor.
• Protectii proprii si solutie de disipare termica, ansamblul functionand in regim continuu.

Intr-o lucrare executata de echipa noastra, un astfel de sistem a corectat sarcini inductive si capacitive trifazate de pana la 35 kVAr. Montajul a fost planificat modular, cu o intrerupere totala a liniei de productie de 65 de minute. Detaliile sunt prezentate in studiul de caz.

4. Evaluarea dispozitivelor portabile de compensare

Sunt comercializate dispozitive de dimensiuni reduse, racordate la o priza, prezentate ca solutii de reducere a consumului. Analiza tehnica a acestora conduce la urmatoarele constatari:

Capacitate insuficienta. Volumul unei carcase de aceasta dimensiune permite condensatoare cu o capacitate de compensare de ordinul a 0,3-0,5 kVAr. Sarcina reactiva a unei hale de mici dimensiuni se masoara in zeci de kVAr. Contributia dispozitivului se situeaza sub pragul de relevanta al masuratorii.

Absenta reglajului. O compensare fixa, fara regulator si fara masurare, este corecta intr-un singur punct de sarcina. In regim de sarcina redusa deplaseaza instalatia in domeniul capacitiv.

Amplasare necorespunzatoare. Compensarea se realizeaza in imediata apropiere a sarcinii inductive sau centralizat in tablou, nu la un punct de racordare arbitrar, situat pe un circuit fara legatura cu receptoarele care genereaza defazajul.

Risc constructiv. Din examinarea unor astfel de dispozitive au rezultat: condensatoare subdimensionate, absenta rezistentelor de descarcare, distante de izolare insuficiente pe cablajul imprimat, absenta unei sigurante interne si a oricarei protectii la defect. Un condensator care cedeaza in scurtcircuit, in absenta protectiei proprii si intr-o carcasa din material plastic, constituie o sursa de initiere a incendiului.

Inaplicabilitate la consumatorii casnici. Clientii casnici nu sunt facturati pentru energie reactiva. In absenta unei componente facturate, dispozitivul nu poate genera nicio economie.

5. Metodologia de verificare

Evaluarea oportunitatii unei investitii in compensare parcurge doua etape.

Verificarea facturii. Existenta unei pozitii distincte pentru energie reactiva, cu valoare semnificativa, confirma existenta unei componente cuantificabile. In lipsa acesteia, compensarea nu are obiect.

Masurarea profilului de sarcina. Un analizor de retea instalat pe durata a cateva zile inregistreaza profilul real pe faze, inclusiv in perioadele de sarcina redusa. Din datele inregistrate rezulta necesarul de compensare, numarul de trepte si necesitatea bobinelor de dezacordare in functie de continutul de armonici.

Tot din masuratoare rezulta termenul de recuperare a investitiei, care constituie criteriul decizional. In situatiile in care factorul de putere se incadreaza in limitele contractuale, recomandarea corecta este de a nu realiza investitia.

Servicii legate de acest subiect

• Masuratori si analiza calitatii energiei
• Automatizari si corectia factorului de putere
• Instalatii electrice comerciale