Оборудване за корекция на фактора на мощността

• Подобряването на фактора на мощността в енергетиката и промишления сектор осигурява редица технически и икономически предимства за потребителите
  
  
• Сред най-популярните и считани за най-практични и ефективни средства за компенсиране на реактивна мощност са кондензаторите
  
  
• Индуктивната енергия, налична при индуктивни товари в индустрията, традиционно се компенсира посредством комплектни кондензаторни уредби (ККУ)

Подобряването на фактора на мощността в енергетиката и промишления сектор осигурява редица технически и икономически предимства за потребителите, свързани основно с възможности за редуциране на загубите на енергия и намаляване на сметките към електроразпределителните дружества. За корекция на фактора на мощността (PFC) чрез компенсиране на реактивната енергия се използва специализирано оборудване, което обхваща различни по работен принцип и конструкция устройства и системи за генериране на реактивна мощност в близост до товара с цел облекчаване на източника на захранване. Сред най-популярните и считани за най-практични и ефективни средства за компенсиране на реактивна мощност са кондензаторните батерии, дроселите, шунтовите реактори, комплектните кондензаторни уредби, активните филтри за хармоници, статичните компенсиращи устройства (VAR компенсатори), синхронните машини и др.

Изборът на най-подходящо решение за повишаване на фактора на мощността в една енергийна система зависи от множество фактори, сред които са типът на товарите, необходимата реактивна енергия, режимът на компенсиране и видът компенсация, работните условия, наличието на хармоници и т. н. Основни предимства на кондензаторните батерии са липсата на изисквания за поддръжка и традиционно достъпната цена, които ги превръщат в ключов елемент на всяко съвременно устройство или уред с електрозахранване, както и на преносните и разпределителните мрежи.

Ползи от подобряване на фактора на мощността

Факторът на мощността е ключова характеристика на енергийните системи, чрез която се измерва и оценява ефективността на електрическото оборудване. Този показател се явява съотношение между активната мощност (в kW) и т. нар. привидна/пълна мощност (в kVA). Той е безразмерна величина с числово измерение между 0 и 1, като оптимално се търсят стойности над 0,9, които се постигат чрез редуциране на консумацията на реактивна мощност. Ползите от повишаването на фактора на мощността за битовите, търговските и индустриалните потребители са много. Сред най-важните в технически и икономически аспект са: подобрена ефективност при преноса, разпределението и потреблението на енергия поради по-малък дял на реактивната енергия, по-ниски разходи, дължими на електроснабдителните дружества, чрез ползване на преференциални цени за по-нисък фактор на мощност или премахване на глобите, намален риск от падове на напрежението и повреди на електрическото оборудване, по-дълъг живот на електропреносните съоръжения и консуматорите, възможност за редуциране на сечението на проводниците, по-компактни машини, по-ниски производствени разходи за електроапаратура, намаляване на т. нар. линейни загуби, оптимизиране на енергийните системи, защита от претоварване по линиите и на генераторите, повишена надеждност, осигуряване на съответствие с регулаторните изисквания, редуциране на парниковите емисии и т. н.

Основни подходи

По отношение на основните методи, на които се базират различните типове съвременно оборудване за компенсиране на реактивна мощност, се разграничават два водещи подхода – пасивна и активна корекция на фактора на мощността. При пасивната (PPFC), традиционно прилагана при приложения с ниска мощност, се използват пасивни филтри за хармоници. Активната корекция (APFC) залага на превключващи преобразуватели, които модулират изкривената вълна, за да я оформят в синусоида. Единствените хармоници, налични в новия сигнал, са тези на честотата на превключване, които лесно се филтрират. Това е считано за най-добрият PFC метод, но обикновено добавя сложност към дизайна на оборудването.

Схемите за корекция на фактора на мощността са ключов елемент от всяко съвременно устройство с електрическо захранване, тъй като ниският фактор на мощността би го направил неефективно, би създал излишно мрежово натоварване и потенциално би причинил проблеми с останалите свързани устройства.

Компенсирането на реактивна мощност може да бъде статично – чрез кондензаторни или реакторни уредби със стъпково регулиране/превключване, или динамично – чрез честотни преобразуватели за непрекъснато компенсиране на динамично променящите се реактивни токови натоварвания. В редица ситуации се използва т. нар. хибриден подход, който включва комбинация от статично и динамично компенсиране. Целта е да се облекчи мрежата, да се осигури защита на преносните линии и оборудването и да се контролират по-ефективно разходите.

При ниско напрежение се използват постоянни кондензатори или оборудване за автоматично регулиране на фактора на мощността. При наличието на индуктивни товари в битови и индустриални приложения, като двигатели, дросели, трансформатори и т. н., се проявява т. нар. индуктивна енергия, която в промишления сектор се отчита и заплаща. Тя е налице при фактор на мощността от 0 до 1. При стойности от 0 до -1 реактивната енергия е капацитивна. Сред най-широко използваната апаратура за компенсиране на реактивна енергия при ниско напрежение са кондензаторните батерии, капацитивните контактори, антирезонансните филтри, тиристорните ключове и др. При средно напрежение се прилагат вакуумни контактори, токоограничаващи реактори и др.

Индуктивната енергия традиционно се компенсира посредством комплектни кондензаторни уредби (ККУ). В конструкцията им влизат трифазни силови кондензатори, капацитивни контактори и контролери. При наличието на хармоници подходът включва използване на усилени батерии, както и на кондензатори с филтри, известни като дроселирани ККУ. Индуктивната енергия е значително по-лесно и евтино да се компенсира в сравнение с капацитивната. Във втория сценарий типично се използват трифазни дросели, познати още като шунтови реактори, на ниво ниско напрежение. Компенсирането при средно напрежение е свързано с традиционно по-скъпо и по-трудно комутиране и е икономически обосновано единствено при големи единични мощности и сравнително постоянни товари.

Типове оборудване

При подходящи условия компенсирането на реактивна мощност се извършва чрез постоянни кондензатори в комбинация от по една или няколко батерии с цел постигане на постоянно повишаване на фактора на мощността. Управлението може да се изпълнява: ръчно посредством прекъсвач, полуавтоматично чрез контактор или с директно свързване към уред и превключване с него.

Кондензаторните батерии се инсталират: на клемите на индуктивни товари (двигатели и трансформатори); на шини, захранващи множество малки индуктивни уреди, за които индивидуалната компенсация би била твърде скъпа; при сравнително постоянни натоварвания.
При автоматичните кондензаторни банки компенсирането на реактивна мощност и поддържането на фактора на мощността в тесен диапазон се постига чрез стъпково управление. Този подход е приложим в точки на инсталацията, където вариациите при активната и/или реактивната мощност са относително големи, включително на шините на общите разпределителни табла и при клемите на силно натоварени захранващи кабели.

Контролът на хармониците в зависимост от системните параметри и условия се извършва посредством пасивни, активни филтри или компенсатори на хармоници. Активните филтри са по-съвременно решение, при което чрез процесор електронно се доставя хармоничният компонент на тока в нелинейни товари. В зависимост от типа на свързването активните филтри биват шунтови (паралелни) или серийни.

Средствата за филтриране от този тип имат редица преимущества пред пасивните – могат да елиминират множество хармоници едновременно, адаптират се към промени в честотата и хармоничния спектър, не създават резонансни проблеми и подобряват ключови характеристики на качеството на енергията чрез регулиране на напрежението и балансиране.

За да се предотвратят негативни ефекти върху инсталациите и оборудването при наличие на капацитивна енергия, като температурно стареене на изолацията, повреди и нежелани престои и прекъсвания, както и преждевременно съкращаване на сервизния живот, се използват шунтови реактори. Те са приложими при дълги кабелни линии средно напрежение, системи с високо напрежение, шинни захранващи системи, системи за резервно/непрекъсваемо захранване, осветителни уредби и т. н.

В зависимост от изискванията по отношение на напрежението шунтовите реактори се включват или изключват, за да осигурят компенсация на реактивната мощност. С оглед на нарастващите вариации на натоварването в съвременните енергийни системи променливите шунтови реактори (VSR) са разработени като средство за осигуряване на по-добра управляемост за мрежовите оператори при контрол на реактивната мощност чрез непрекъснато регулиране на компенсацията според вариациите в натоварването. Преносната система се възползва от подобрено качество на електроенергията, оптимизирана работа на мрежата и възможност за взаимодействие с други регулиращи устройства, като статични компенсатори на реактивна мощност (SVC). Това са комплекти от електрически устройства за осигуряване на бързодействаща реактивна мощност в електропреносни мрежи високо напрежение или за повишаване на качеството на енергията при свързване в близост до по-големи индустриални товари. Те регулират напрежението, фактора на мощността и хармониците и стабилизират системата.

Tехнологични новости и пазарни тенденции

Пазарът на оборудване за корекция на фактора на мощността динамично се развива през последните години под влиянието на няколко водещи тенденции, сред които са нарастващият стремеж към енергийна ефективност и екологична устойчивост, все по-широкото внедряване на интелигентни технологии в електроразпределителните мрежи, нарастващият фокус върху възобновяемата енергия, интегрирането на IoT функционалност и възможности за свързаност, превантивна поддръжка и оптимизация в енергийните системи. В сегмента на PFC решенията постепенно се наблюдава преход към средствата за активна корекция на фактора на мощността, които използват електронни схеми за непрекъснат мониторинг, регулиране и балансиране, поради по-високата им ефективност в сравнение с пасивните при променливи условия на натоварване и възможностите за постигане на по-високо качество на електроенергията и значително по-ниски загуби.

Водеща тенденция при оборудването за корекция на фактора на мощността е интегрирането на сувременни технологии, като цифрови системи за управление и интелигентни алгоритми, за подобряване на ефективността и разширяване на функционалността на PFC устройствата с опции за прецизен мониторинг. Все по-търсени са компактните и модулни решения за компенсиране на реактивна мощност, които са гъвкави и мащабируеми.

При кондензаторните батерии, които са сред най-масово използваните средства за компенсация на реактивна енергия в енергетиката и индустрията, се отчита паралелно миниатюризиране на корпусите за сметка на повишаване на ефективността, особено в търговски и промишлени приложения. Все по-масово се търсят екологосъобразни кондензатори с по-висока енергийна плътност и подобрен топлинен мениджмънт, които не съдържат токсични и опасни химикали и оказват минимално негативно въздействие върху околната среда.

Според последните проучвания в сегмента глобалният пазар на оборудване за корекция на фактора на мощността се очаква да се увеличи над 7 пъти в близките години – до повече от 72 млрд. щатски долара през 2036 г. от едва 10 млрд. през 2023 г. Този впечатляващ прогнозен ръст анализаторите отдават на експоненциалното разрастване на ВЕИ сектора, както и на увеличаващата се необходимост от компенсиране на реактивната енергия в центрове за данни, производствени предприятия и други сектори. Експертите изчисляват, че само през 2021 г. световните инвестиции в IT оборудване за дейта центрове са надминали 240 млрд. долара, а до края на настоящата година капиталовложенията в IoT устройства и платформи в глобален мащаб ще достигнат 1 трилион.