Dlaczego warto wykonywać pomiary przed kompensacją mocy biernej?

W wielu instalacjach elektrycznych pojawia się potrzeba kompensacji mocy biernej. Najczęściej chodzi o ograniczenie kosztów wynikających z przekroczenia norm narzuconych przez operatora sieci. Jednak zanim zainstalujemy układ kompensacyjny, warto wykonać dokładne pomiary jakości energii elektrycznej. Pozwolą one dobrać odpowiednie urządzenia i uniknąć kosztownych błędów.

Bez danych pomiarowych trudno ocenić, czy wystarczy prosty układ kompensacji, czy konieczne jest zastosowanie rozwiązań bardziej zaawansowanych, takich jak filtry aktywne.

Co warto mierzyć przed kompensacją?

Współczynnik mocy (cosϕ)

To podstawowy parametr określający relację między mocą czynną a pozorną. Niski współczynnik mocy skutkuje niepotrzebnym obciążeniem sieci i wyższymi rachunkami.

Zawartość wyższych harmonicznych prądu (THDi)

THDi (Total Harmonic Distortion of current) określa stopień zniekształcenia prądu. Im więcej nieliniowych urządzeń w instalacji, tym wyższy THDi. W praktyce poziom ten powinien mieć wartość poniżej 8% natomiast, jeśli THDi przekracza 15–20%, należy rozważyć kompensację aktywną. Wysoki poziom harmonicznych obniża skuteczność klasycznych rozwiązań i wymaga precyzyjnego podejścia projektowego. Wysoka zawartość wyższych harmonicznych prądu niekorzystnie wpływa na kształt przebiegu prądu i może powodować nadmierne grzanie się przewodów i elementów indukcyjnych, a także przyczynia się do zwiększenia strat energii, może powodować uszkodzenia i błędne działanie urządzeń.

Zmienność obciążenia

Instalacje przemysłowe często pracują w trybie zmiennym:

• przezbrojenia linii produkcyjnych,
• cykliczna praca urządzeń,
• wahania sezonowe.

W takich warunkach statyczna kompensacja nie jest skuteczna. Potrzebne są systemy automatycznie dostosowujące moc kompensacyjną oraz tryb pracy w czasie rzeczywistym.

Symetria obciążenia między fazami

Nierównomierne obciążenie faz prowadzi do nieefektywnej pracy układów kompensacyjnych. Pomiar prądów fazowych i napięć pozwala wykryć te zjawiska.

Jakie urządzenia pomiarowe stosować?

Do analizy należy używać rejestratorów parametrów sieci, najlepiej pracujących w klasie A i zgodnych z normą PN-EN 61000-4-30, oraz z funkcjami:

• rejestracji poziomu napięć oraz prądów,
• analizy widma harmonicznych do 50. rzędu,
• pomiaru mocy czynnej, biernej i pozornej,
• rejestracji danych z podziałem na fazy,
• rejestracji współczynników mocy cosϕ i tgϕ
• możliwości długoterminowego zapisu.

Rejestratory powinny być instalowane w punktach o największym obciążeniu lub w miejscach, gdzie dochodzi do wahań napięcia lub występowania innych problemów. Rejestratory można także umieścić przy głównym zasilaniu, aby pobrać dane i sprawdzić parametry sieci elektrycznej w obrębie całego zakładu. Przy pomiarach stosuje się sondy prądowe typu cewki Rogowskiego lub cęgi pomiarowe, a napięcia mierzy się najczęściej bezpośrednio.

Najlepiej, aby pomiar jednorazowy trwał minimum 7 dni i obejmował różne cykle pracy obiektu.

Filtry aktywne i pasywne – różnice w działaniu

Filtry pasywne to najczęściej zespoły indukcyjno-pojemnościowe dostrojone do tłumienia określonego rzędu harmonicznych. Działają w ograniczonym zakresie częstotliwości i mogą wprowadzać dodatkowe zniekształcenia przy zmianach obciążenia.

Filtry aktywne analizują w czasie rzeczywistym parametry sieci i generują prąd kompensacyjny odpowiednio dobrany, aby przeciwdziałać występującym zakłóceniom w przebiegu prądu. Dynamicznie reagują na zmiany w instalacji, związane chociażby z dołączaniem nowych odbiorników do pracy.

Ich skuteczność zależy bezpośrednio od wcześniejszej analizy przebiegów prądu i napięcia, zmierzonego poziomu mocy biernej i poziomu asymetrii obciążeń. Nie należy instalować filtra aktywnego bez przeprowadzenia wcześniejszych pomiarów, szczególnie w kontekście filtracji wyższych harmonicznych prądu.

Ciągły pomiar jako element eksploatacji

Wdrożenie systemu kompensacji mocy biernej i filtracji wyższych harmonicznych to nie koniec. Zmiany w obciążeniu, modernizacje parku maszynowego, nowe profile pracy – wszystko to może wymagać aktualizacji konfiguracji zainstalowanego urządzenia do poprawy jakości energii..

Dzięki ciągłemu monitoringowi można:

• analizować skuteczność działania układu w czasie,
• wykrywać przeciążenia i zjawiska rezonansowe,
• planować serwis i wymianę komponentów na podstawie danych,
• przewidywać przyszłe potrzeby inwestycyjne.

Przykład zastosowania – zakład przemysłowy

W średniej wielkości zakładzie produkcyjnym, który korzystał z falowników i spawarek, zainstalowano klasyczną baterię kondensatorów bez wcześniejszej analizy parametrów sieci.

Po kilku tygodniach pojawiły się:

• przegrzewanie przewodów zasilających,
• skoki napięcia na szynach zbiorczych,
• zwiększone straty energii.

Po wykonaniu pomiarów wykryto THDi na poziomie 180% i rezonans przy 5. harmonicznej prądu. Konieczna była wymiana układu na filtr aktywny, który obniżył THDi do 18%, skompensował istniejącą moc bierną, wyeliminował zakłócenia, a finalnie pomógł też ustabilizować napięcie.

Pomiar to pierwszy krok dobrej kompensacji

Zainstalowanie systemu kompensacji bez pomiarów to jak szycie garnituru bez przymiarki.

Dobrze dobrany system kompensacyjny bazuje na rzeczywistych danych, nie na założeniach. Pozwala to:

• unikać przewymiarowania lub niedoszacowania mocy kompensacyjnej,
• ograniczyć koszty zakupu i eksploatacji,
• poprawić efektywność i bezpieczeństwo instalacji,
• uzyskać wymierną korzyść np. finansową (obniżenie opłat za energię bierną), a także związaną z ustabilizowaniem parametrów pracy maszyn i zmniejszoną liczbą przestojów i awarii.

Inwestycja w pomiary jakości energii elektrycznej to nie koszt, lecz warunek skutecznej i bezawaryjnej pracy całego systemu zasilania. Jeśli chcesz mieć kontrolę nad jakością energii, zacznij od rzetelnej analizy parametrów instalacji elektrycznej.