Jakým způsobem zjistit nevyhovující hodnotu účiníku

Obrázek 1: Zajištění účiníku co nejblíže hodnotě 1,0 dává dobrý smysl z finančního hlediska, protože většina energetických společností účtuje vyšší sazbu, pokud účiník klesne pod určitou úroveň, obvykle 90 %. Všechny obrázky publikovány se svolením společnosti Fluke. Obrázek 1: Zajištění účiníku co nejblíže hodnotě 1,0 dává dobrý smysl z finančního hlediska, protože většina energetických společností účtuje vyšší sazbu, pokud účiník klesne pod určitou úroveň, obvykle 90 %. Všechny obrázky publikovány se svolením společnosti Fluke.

Neřešení problémů s kvalitou elektrické energie, jako je nízký účiník a harmonické, vás z dlouhodobého hlediska poškozuje.

Co by se stalo, kdyby v pizze, kterou vám právě doručili, chyběl nějaký kousek? Určitě byste to nenechali jen tak. Chtěli byste vědět, kam ten kousek zmizel. Dostal řidič hlad a snědl ho cestou? Možná kdosi při balení provedl nějakou nepatřičnost a nechal to být? Kdo ví?

Vezměte v úvahu elektrickou energii, která vstupuje do vašeho podniku. Za tuto energii platíte, abyste maximalizovali vaši produktivitu. Ale co když nedostáváte to, za co jste zaplatili? V průmyslovém prostředí je klíčovým parametrem „účiník“ – procentuální poměr skutečného výkonu měřeného v kilowattech (kW) a zdánlivého výkonu měřeného v kilovoltampérech (kVA).

Zdánlivý výkon je celkový požadavek, který podnik klade na rozvodnou síť, aby dodávala napětí a proud bez ohledu na to, zda vykonává skutečnou práci. Energetické společnosti obvykle účtují vyšší sazbu, pokud účiník klesne pod určitou úroveň, nejčastěji 90 %.

Skutečný výkon (kW) / zdánlivý výkon (kVA) = účiník;

  • příklad akceptovatelné hodnoty účiníku: 50 kW / 52 kVA – 0,96 (96 %);
  • příklad neakceptovatelné hodnoty účiníku: 50 kW / 63 kVA – 0,79 (79 %).

Náklady na energetickou neefektivitu

Když se mluví o účiníku, mluvíme ve skutečnosti o energetické účinnosti. Jak dobře je v daném podniku využívána dodávaná energie? Pokud by byl obvod 100% účinný, odběr by se shodoval s dostupným výkonem.

Pokud je odběr vyšší než dostupný výkon, dochází k zatížení systému rozvodné sítě. Mnohé energetické společnosti připočítávají k platbám velkých zákazníků poplatek za odběr, aby vyrovnaly rozdíly mezi příkonem a odběrem (je-li příkon nižší než odběr). U většiny společností se odběr energie vypočítává na základě průměrného zatížení během 15 až 30 minut. Pokud je požadavek na odběr elektrické energie nepravidelného charakteru, musí mít energetická společnost k dispozici větší rezervní kapacitu, než když zatížení zůstává konstantní.

Pokud je například účiník podniku nižší než 97 %, lze podniknout kroky k nalezení této chybějící energie. Dvěma nejčastějšími příčinami špatného účiníku jsou indukčnost motorů a harmonické proudy. Prvním krokem je měření, které určí hlavní příčinu špatného účiníku.

Měřením energie a kvality napájení se získá vhled do zákonitostí výkonu zařízení. Měření vám pomůže pochopit, kam každý měsíc mizí vaše energie. Sledování, analýza a porovnávání historie provozu zařízení pomáhají určit příčinu a závažnost problémů s kvalitou ovlivňující účiník.

PLE2102 MAG Fluke Power Factor Fig 2Obrázek 2: Pomocí analyzátoru kvality elektrické energie, jako je Fluke 438-II, jste schopni charakterizovat dynamiku elektrického systému při spouštění generátorů, spínání UPS atd.

Kam se ztrácí účiník?

Chybějící účiník je nějakým způsobem promarněná energie. Chcete-li zvýšit účiník, zjistěte hlavní příčinu nevyhovujícího účiníku. Kam odchází energie a jak je využívána (nebo plýtvána)? Plýtvání energií je běžné tam, kde chybí rovnováha napětí nebo proudu. Vezměte v úvahu vibrace motoru. Energie, která by měla být použita k práci motoru, je místo toho použita k jeho vibracím. Jde o ztracenou energii, kterou nelze získat zpět. Jedná se o zbytečně vynaloženou energii. Další formou ztráty energie je teplo. Pokud systém z jakéhokoli důvodu pracuje neefektivně, může dojít k jeho přehřátí. Toto teplo představuje rovněž plýtvání energií.

Nesymetrie napětí a proudu

Nesymetrie napětí je mírou rozdílů napětí mezi fázemi třífázové soustavy. Snižuje výkon a zkracuje životnost třífázových motorů. Napěťová nesymetrie na svorkách statoru motoru způsobuje vysokou proudovou nesymetrii, jež vede k zápornému točivému momentu a vyšším provozním teplotám, které mohou být šestkrát až desetkrát vyšší než napěťová nesymetrie. Nevyvážené proudy vedou k pulzování točivého momentu, ke zvýšeným vibracím a mechanickému namáhání, zvýšeným ztrátám a přehřívání motoru. Všechna tato promarněná energie se projeví ve formě ztraceného účiníku.

Napěťová a proudová nevyváženost může také indikovat problémy s údržbou, jako jsou uvolněné spoje nebo opotřebované kontakty. Jejich identifikace a oprava mohou zvýšit účinnost zařízení a získat zpět část chybějícího účiníku.

Proveďte několik základních měření nesymetrie napětí mezi fázemi pomocí kvalitního digitálního multimetru a nesymetrie proudu mezi fázemi pomocí kvalitního klešťového měřáku. Přesná měření nesymetrie v reálném čase vyžadují mít k dispozici třífázový analyzátor kvality elektrické energie, jenž umožňuje odstraňovat problémy s nesymetrií. Otevřené obvody a poruchy mezi jednou fází a zemí se opravují snadněji než vyrovnávání zátěže, které obvykle vyžaduje změny na úrovni návrhu systému.

Kondenzátory pro korekci účiníku

Při řešení induktivního proudu je jedním z běžných řešení přidání kondenzátorů pro korekci účiníku – zařízení pro ukládání energie – do rozvodné soustavy objektu. Toho lze nejlépe dosáhnout pomocí automatického regulátoru, který zapíná a vypíná kondenzátory a někdy i tlumivky. V nejběžnějších aplikacích se používá pevná kondenzátorová baterie.

Kondenzátory pro korekci účiníku sice vyžadují pravidelnou kontrolu a provádění doporučené preventivní údržby, ale za normálních podmínek budou bez problémů fungovat mnoho let. Vnější okolnosti, jako jsou harmonické proudy, vysoké teploty prostředí a špatné větrání, mohou způsobit předčasné selhání kondenzátorů korekce účiníku a souvisejících obvodů. Poruchy pak vedou k výraznému zvýšení výdajů za energii a v extrémních případech zvyšují pravděpodobnost vzniku požáru nebo výbuchu.

Je důležité pravidelně kontrolovat kondenzátory pro korekci účiníku, aby bylo zajištěno jejich správné fungování. Doporučené plány preventivní údržby naleznete na webových stránkách výrobce kondenzátorů.

PLE2102 MAG Fluke Power Factor Fig 3Obrázek 3: Pomocí záznamníku výkonu získáte rychlý přehled o celkovém stavu vašeho elektrického systému.

Identifikace a korekce harmonických

Harmonické jsou násobky základní frekvence. Pokud je například základní frekvence 60 Hz, druhá harmonická je 120 Hz, třetí 180 Hz atd. Tyto harmonické zkreslují tvar vlny napětí, která by měla být čistě sinusová.

Zařízení, která vedou proud po dobu kratší, než je celá sinusoida napětí, jsou nelineární zátěže, a proto generují harmonické. Existují dva základní typy nelineární zátěže: jednofázová a třífázová. Jednofázové nelineární zátěže převládají v kancelářích, zatímco třífázové zátěže jsou rozšířené v průmyslových závodech. Příznaky se obvykle projevují v rozvodných zařízeních, která podporují nelineární zátěže.

  • Nulové vodiče: V třífázové čtyřvodičové soustavě mohou být nulové vodiče vážně ovlivněny nelineárními zátěžemi připojenými k odbočkám 120 V. Za normálních podmínek pro vyváženou lineární zátěž se základní 60Hz část fázových proudů v nulovém vodiči vyruší.

Ve čtyřvodičové soustavě s jednofázovými nelineárními zátěžemi se určité liché harmonické (tripleny) – liché násobky třetí harmonické: třetí, devátá, patnáctá atd. – neruší, ale sčítají se v nulovém vodiči.

Nadměrný proud v nulovém vodiči může také způsobit vyšší než normální úbytky napětí mezi nulovým vodičem a zemí v zásuvce 120 V.

  • Jističe: Běžné tepelně-magnetické jističe používají bimetalový vypínací mechanismus, který reaguje na zahřívací účinek proudu v obvodu. Jsou navrženy tak, aby reagovaly na skutečnou efektivní hodnotu průběhu proudu a aby vypínaly, když se vypínací mechanismus příliš zahřeje. Tento typ jističe má dobrou šanci chránit před harmonickým proudovým přetížením.

Jistič s elektrickou spouští snímající nejvyšší hodnotu reaguje na špičku průběhu proudu. V důsledku toho nebude vždy správně reagovat na harmonické proudy.

Protože špička harmonického proudu je obecně vyšší než normální, může tento typ jističe vypnout předčasně při nízkém proudu. Pokud je špička nižší než normální, může se stát, že jistič nevypne, kdy má.

  • Přípojnice a připojovací oka: Neutrální (nulové) přípojnice a připojovací oka jsou dimenzovány tak, aby přenášely plnou hodnotu příslušného fázového proudu. Mohou být přetíženy, když jsou nulové vodiče přetíženy dodatečným součtem trojných harmonických.
  • Elektrické rozváděče: Elektrické rozváděče určené pro přenos proudu 60 Hz mohou mechanicky rezonovat s magnetickými poli generovanými harmonickými proudy vyšších frekvencí. Pokud k tomu dojde, panel vibruje a vydává bzučivý zvuk na harmonických frekvencích.
  • Telekomunikační systémy: Tyto systémy vám často jako první napoví, že máte problém s harmonickými, protože kabel může být veden hned vedle silových kabelů. Aby se minimalizovalo induktivní rušení od fázových proudů, jsou telekomunikační kabely vedeny blíže k nulovému vodiči.

Tripleny v nulovém vodiči běžně způsobují induktivní rušení, které je slyšet po telefonní lince. To je často první známkou problému s harmonickými a poskytuje vám náskok při odhalování problému dříve, než způsobí velké škody.

Protože harmonický proud protékající impedancí systému vytváří harmonické zkreslení napětí, může také způsobovat poklesy napětí. V závažných případech může toto zkreslení napětí způsobit tepelné vypínání relé a ochranných zařízení či logické poruchy v programovatelných logických automatech (PLC) a frekvenčních měničích (VFD). S rostoucím zkreslením napětí začnou lineární zátěže odebírat harmonický proud. V motorech mají některé z těchto harmonických proudů – především pátá a jedenáctá harmonická, které způsobují protisměrný točivý moment v motoru – za následek zvýšení proudu, snížení účinnosti motoru, vyšší zahřívání a zkrácení životnosti motoru.

Monitorujte, měřte, porovnávejte a korigujte

Změřte harmonické v místě společné vazby pomocí analyzátoru kvality elektrické energie nebo analyzátoru harmonických. Pro jednoduché snímkování použijte kvalitní digitální multimetr pro harmonické napětí nebo kvalitní klešťový měřák pro harmonický proud.

Použijte digitální multimetr a klešťový měřák s označením true RMS (root mean square), což je nezbytné pro přesné měření zkreslených průběhů.

True RMS označuje střední kvadratickou hodnotu nebo ekvivalentní topnou hodnotu tvaru vlny proudu nebo napětí. Označení „true“ odlišuje měření od měření prováděných „průměrně reagujícími“ měřáky. Přístroje s průměrnou odezvou poskytují správné údaje pouze pro čisté sinusové vlny a při konfrontaci se zkresleným průběhem proudu obvykle odečítají až o 50 % nižší hodnoty. True měřáky se střední kvadratickou hodnotou poskytují správné údaje pro jakýkoli tvar vlny v rámci činitele výkyvu přístroje a specifikací šířek pásma. Začněte základním průzkumem harmonických, abyste zjistili, zda máte problém s harmonickými a kde by se mohl nacházet. Za tímto účelem proveďte:

  • soupis zátěže;
  • kontrolu zahřátí transformátoru;
  • kontrolu sekundárního proud transformátoru;
  • kontrolu neutrálního proudu podružného rozváděče;
  • kontrolu napětí mezi nulovým vodičem a zemí.

Mnoho šestipulzních frekvenčních měničů generuje pátou a sedmou harmonickou. Dvanácti- a osmnáctipulzní pohony však pomáhají harmonické redukovat, protože s rostoucím počtem pulzů klesá jejich amplituda. Mezi další řešení pro zmírnění harmonických generovaných pohonem patří pasivní čelní tlumivky/filtry, filtry harmonických a aktivní filtry, pokud je vaše situace složitější. Aktivní filtrace kompenzuje jalové proudy, harmonické proudy a nesymetrické proudy.

Vyvarujte se běžné chyby, kdy se ke zmírnění harmonických proudů používají kondenzátory. Kondenzátor bude působit jako zkrat pro vyšší harmonické. Kvůli vnitřnímu odporu se kondenzátor zahřeje a bude mít drasticky sníženou životnost, protože se vypaří vnitřní elektrolyt.

Měření celkového harmonického zkreslení (THD) může pomoci určit, zda je filtrace nutná. Uvědomte si, že energetická společnost může ovlivnit pouze kvalitu napětí a požadovat, aby byly připojeny schválené zátěže. Energetické společnosti nejsou odpovědné za proud, který protéká v důsledku instalovaných zařízení zákazníků.

Zjistěte hodnotu chybějícího účiníku, zvyšte účinnost a ušetřete peníze

Pokud má váš podnik nevyhovující hodnotu účiníku, udělejte první krok k jeho zlepšení tím, že pomocí měření odhalíte hlavní příčinu. Zjistěte, kde, kdy a jak se každý měsíc spotřebovává energie, a proveďte strategická rozhodnutí, která budou eliminovat plýtvání a zvýší účiník. Ušetřete peníze tím, že se stanete předvídatelnějšími, pokud jde o spotřebu energie (co do množství i načasování), a pomozte tak energetickým společnostem lépe se připravit na vaše požadavky.

Autorem článku je Jason Axelson, specialista na aplikace produktů společnosti Fluke, která vyrábí elektrické testovací a měřicí přístroje, včetně multimetrů, klešťových měřáků a testerů izolačního stavu, uzemnění a instalace. Již více než 15 let je J. Axelson nápomocen zákazníkům a partnerům při hledání řešení v oblasti měření kvality elektrické energie, nabídky měřičů rozsahu a testerů baterií. Rovněž pořádá odborná školení, v rámci nichž pomáhá diagnostikovat a řešit rozmanité technické dotazy. 

Obrázek 1: Zajištění účiníku co nejblíže hodnotě 1,0 dává dobrý smysl z finančního hlediska, protože většina energetických společností účtuje vyšší sazbu, pokud účiník klesne pod určitou úroveň, obvykle 90 %. Všechny obrázky publikovány se svolením společnosti Fluke.

Obrázek 2: Pomocí analyzátoru kvality elektrické energie, jako je Fluke 438-II, jste schopni charakterizovat dynamiku elektrického systému při spouštění generátorů, spínání UPS atd.

Obrázek 3: Pomocí záznamníku výkonu získáte rychlý přehled o celkovém stavu vašeho elektrického systému.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz