Dążenie do oszczędności energii można motywować w różny sposób. Z jednej strony wiąże się z ograniczaniem kosztów funkcjonowania obiektów oraz ze skutkami technicznymi działania urządzeń. Z drugiej natomiast powinno wynikać ze świadomości potrzeb właściwego podejścia do jakości gospodarowania energią i surowcami, między innymi również w aspektach globalnego bezpieczeństwa energetycznego. Jednym z elementów właściwego gospodarowania energią są działania związane z kompensacją mocy biernej.

We wszelkich obszarach działalności człowieka wykorzystywane są różnego rodzaju elementy i urządzenia techniczne, których funkcją jest wykonanie lub usprawnienie określonych prac bądź realizacja coraz bardziej skomplikowanych, przypisanych im (wymaganych przez użytkownika) zadań. Większość urządzeń do swojego działania potrzebuje dostarczenia energii. Najkorzystniejszą użytkowo formą energii jest energia elektryczna. Z łatwością można ją magazynować, przesyłać, użytkować oraz przetwarzać na inny rodzaj energii (mechaniczną, cieplną, świetlną itp.). Podczas gromadzenia bądź użytkowania każdego rodzaju energii powstają straty związane z nieidealnościami elementów oraz oddziaływaniem zjawisk towarzyszących (często ubocznych, pasożytniczych). Z tego względu określana jest sprawność urządzeń rozumiana jako stosunek energii użytecznej (wyjściowej) do całkowitej energii dostarczonej (wejściowej) wyrażona procentowo.

Rys. 1. Wyniki badań mocy, prądów i napięć w budynku banku w miejscu przyłączenia zasilania

Transfer i przekształcanie energii

W urządzeniach elektrycznych głównym składnikiem powstających strat energetycznych są straty cieplne. Podczas przepływu prądu przez poszczególne elementy obwodów na ich rezystancjach powstają straty mocy, które (zgodnie z prawem Joule’a) w całości zamieniane są na ciepło i oddawane do otoczenia. Z uwagi na własności związane z przetwarzaniem, a szczególnie przesyłem energii elektrycznej korzystniejszym jest (oprócz przypadku urządzeń mobilnych, gdzie wykorzystuje się zasobniki energii prądu stałego) użytkowanie energii prądu przemiennego. Ogranicza się wówczas straty mocy powstające podczas dostarczania energii na duże odległości.
Czynnikiem zwiększającym powstające straty mocy w obiekcie oraz niekorzystnie wpływającym na odbiorniki (zagrażającym zakłóceniem ich prawidłowej pracy) są odkształcenia prądów i napięć, czyli oddziaływania wyższych harmonicznych. Powstają one w wyniku funkcjonowania coraz szerzej wykorzystywanych we wszelkich obszarach działalności człowieka elementów nieliniowych, działających dyskretnie, impulsowo.

Energia czynna i bierna
W przypadku przepływu prądu przemiennego odbiorniki pobierają z sieci zasilającej energię czynną oraz często również bierną. Energia czynna jest energią użyteczną. Dzięki niej np. przez silniki wykonywana jest praca mechaniczna, urządzenia grzewcze dostarczają ciepło, a w lampach wytwarzane jest światło. Energia bierna nie jest użytkowana. Wykorzystywana jest do wytworzenia określonych warunków fizycznych w układach (służy do wytworzenia pól elektrycznych lub magnetycznych, może być związana z gromadzeniem energii w polu elektrycznym bądź magnetycznym itp.). Rozróżnia się energię bierną pojemnościową (związaną z funkcjonowaniem elementów pojemnościowych – kondensatorów) oraz energię bierną indukcyjną (pobieraną przez elementy indukcyjne, jak np. uzwojenia silników, transformatorów, przetworniki elektromagnetyczne).
Energia czynna dostarczana jest do odbiorników ze źródła (czyli elektrowni) przez sieć przesyłowo-rozdzielczą. Energii biernej nie należy przesyłać, ponieważ można ją wytworzyć na miejscu. Mówi się wówczas o kompensacji mocy biernej. Dzięki wprowadzeniu kompensacji mocy biernej osiąga się zmniejszenie strat mocy w rezystancjach wszystkich urządzeń od generatorów począwszy, poprzez linie przesyłowe i urządzenia transformatorowo-rozdzielcze aż do odbiorcy, a także zwiększenie poziomu dysponowanej mocy (możliwości przesyłowych energii) przy istniejącej infrastrukturze energetycznej, dzięki zmniejszeniu całkowitego prądu pobieranego z sieci przez obiekt.
W racjonalnie prowadzonej gospodarce zawsze dąży się do oszczędności surowców i energii. W przypadku urządzeń elektrycznych głównymi czynnikami związanymi z oszczędnościami energii są: minimalizacja powstających strat mocy oraz kompensacja mocy biernej.

Rys. 2. UPS Ever Powerline Green 33 Lite z kompensacją mocy biernej

Charakter odbiorników energii w obiektach

Odbiorniki energii w zakładach produkcyjnych mają zazwyczaj charakter rezystancyjno-indukcyjny (a zatem pobierają energię czynną oraz bierną indukcyjną, związaną głównie z funkcjonowaniem maszyn elektrycznych, transformatorów i innych urządzeń zawierających uzwojenia). Obecnie działa wiele obiektów, których odbiorniki mają charakter
rezystancyjno-pojemnościowy (czyli obciążają sieć zasilającą pobierając oprócz energii użytecznej energię bierną pojemnościową). Należą do nich np. centra przetwarzania danych, placówki handlowe, biura, banki, czyli obiekty, w których funkcjonuje dużo sprzętu komputerowego, oświetlenia energooszczędnego i innych urządzeń zawierających filtry, układy prostownicze, elektroniczne regulatory mocy, stabilizatory itp.
Za pobór energii biernej indukcyjnej na poziomie do 40% zużywanej energii czynnej (czyli przy tgφ < 0,4) nie są naliczane opłaty. Powyżej tej wartości, a w przypadku energii biernej pojemnościowej bez żadnych limitów nieodpłatności, pobierane są przez dostawcę opłaty 3-krotnie wyższe niż za energię użyteczną. W obiektach, gdzie nie jest realizowana kompensacja mocy biernej, stanowi to poważną część kosztów związanych z dostarczaniem energii.
Przykładem takim może być budynek banku, w którym przeprowadzono pomiar jakości oraz bilans zużywanej energii. Głównymi odbiornikami energii w obiekcie były: serwery, UPS (innej firmy niż Ever), 24 komputery, drukarki, kopiarki, układy oświetlenia i klimatyzacji oraz drobny sprzęt biurowy. Energię czynną, bierną i pozorną, współczynnik mocy oraz prądy i napięcia zmierzone w punkcie przy liczniku energii w budynku przedstawiono na rys. 1. Zauważono pobór dużych wartości mocy biernej pojemnościowej w obiekcie (około 3 kvar przy mocy użytecznej na poziomie 6,9 kW) oraz intensywne oddziaływanie zaburzeń harmonicznych (współczynnik THDi w tym punkcie sieci przekraczał 20%). Z udostępnionych rachunków z trzech miesięcy 2014 r. wynikało, że opłaty miesięczne za pobór mocy biernej pojemnościowej były wyższe niż za pobór mocy użytecznej.

Kompensacja mocy biernej i układy PFC

Kompensacja mocy biernej w zakładach przemysłowych realizowana jest od dawna. W centrach obliczeniowych, obiektach użyteczności publicznej, biurowcach, jednostkach usługowych, galeriach handlowych itp. – z uwagi na funkcjonowanie obecnie coraz większej ilości m.in. osprzętu komputerowego, elektronicznych regulatorów mocy czy oświetlenia energooszczędnego – bardzo często pojawiają się problemy z dużym poborem mocy biernej (szczególnie pojemnościowej) oraz intensyfikacją oddziaływań wyższych harmonicznych. Istotnym staje się zatem zaradzenie tej niekorzystnej dla wszystkich stron (użytkowników i dostawcy energii) sytuacji.
Od dawna znanymi i wykorzystywanymi sposobami kompensacji mocy biernej – poza metodami naturalnymi, czyli wyłączaniem urządzeń rezystancyjno-indukcyjnych lub rezystancyjno-pojemnościowych pracujących na biegu jałowym – są:
zastosowanie biernych elementów kompensacyjnych – załączenie dodatkowych kondensatorów, gdy występuje obciążenie indukcyjne QL, a dodatkowych cewek, gdy ma miejsce obciążenie pojemnościowe QC,
wykorzystanie regulatorów elektromechanicznych (rzadko stosowane),
włączenie filtrów aktywnych,
zastosowanie elektronicznych przesuwników fazowych.
Jedną z miar właściwego wykorzystania energii elektrycznej pobieranej przez odbiorniki zasilane z sieci elektroenergetycznej jest współczynnik mocy PF (ang. Power Factor). Zawiera on w sobie zarówno czynnik związany z obciążeniem mocą bierną w układach liniowych (nieodkształconych) bądź mocą bierną wynikającą z przesunięcia fazowego w zakresie podstawowej (pierwszej) harmonicznej przebiegów odkształconych (a zatem cos φ), jak również czynnik związany z mocą deformacji, wynikającą z odkształcenia przebiegów prądów i napięć, czyli z oddziaływaniem wyższych harmonicznych. Funkcją układu PFC (ang. Power Factor Correction) jest zniwelowanie oddziaływań wyższych harmonicznych, a zatem również mocy biernych wynikających z ich występowania. Realizowane może to być za pomocą:
układów pasywnych – w których elementem kompensacyjnym są najczęściej dławik oraz równoległe i szeregowe filtry harmonicznych,
układów aktywnych – w których następuje sterowane impulsowe włączanie i wyłączania łącznika tranzystorowego zarządzającego prądem.

Kompensacja mocy biernej w systemach zasilania gwarantowanego
UPS Ever Powerline Green 33 Lite

Systemy zasilania gwarantowanego (UPS) stosowane są do zabezpieczenia wrażliwych odbiorników (o znaczeniu priorytetowym) przed określonymi nieprawidłowościami bądź niekontrolowanym zanikiem napięcia zasilającego, a także w celu poprawy jakości dostarczanej do odbiorników energii. W zasilaczach UPS obwody wejściowe zawierają kondensatory, czyli pobierana jest przez nie z sieci obok mocy czynnej (użytecznej) moc bierna pojemnościowa.
Producenci UPS-ów stosują układy PFC (korekty współczynnika mocy), których zadaniem jest ograniczenie wyższych harmonicznych, a w efekcie również poboru części mocy biernej z nimi związanej, w wyniku czego uzyskuje się wysoki współczynnik mocy przy pełnym obciążeniu zasilacza. Niemniej zawsze w tych przypadkach pobierana jest przez obwód wejściowy UPS-a pewna moc bierna pojemnościowa. Za każdą zużytą kvarh mocy biernej pojemnościowej (oraz mocy biernej indukcyjnej po przekroczeniu umownego poziomu, czyli tg φ > 0,4, a zatem cos φ < 0,93) naliczana jest użytkownikowi opłata około trzykrotnie wyższa niż za energię czynną – użyteczną. Są to znaczne koszty, które ponoszone są przez użytkownika cyklicznie (w opłatach miesięcznych za zużycie energii elektrycznej).
Kompensacja mocy biernej w UPS Ever Powerline Green 33 Lite jest realizowana w zupełnie inny sposób. Obwód wejściowy zasilacza pracuje jednocześnie jako elektroniczny przesuwnik fazowy, czyli wejściowa moc bierna pojemnościowa jest sprowadzana do zera. Eliminuje się dzięki temu całkowicie opłaty za pobór mocy biernej pojemnościowej przez UPS. Zgodnie z wyliczeniami specjalistów, koszt zakupu takiego UPS-a może zwrócić się już w ciągu kilkunastu miesięcy, gdyż rozwiązanie to może wygenerować oszczędności nawet rzędu kilkunastu tysięcy złotych rocznie.

dr inż. Karol Bednarek
Autor współpracuje
z firmą Ever Sp. z o.o.

Literatura:
[1] Bednarek K., Kompensacja mocy biernej i praca hybrydowa w systemach zasilania gwarantowanego (UPS), Poznan University of Technology Academic Journals, Electrical engineering, No 74, Poznań 2013, p. 33-41
[2] Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych, Elektro.info, nr 12, 2012, s. 26-31
[3] Mrozek M., Układy sterowania przekształtnikiem AC-DC z funkcją korekcji współczynnika mocy PFC, Problemy Eksploatacji, nr 3, 2012, s. 145-154
[4] http://www.ever.eu/
Opublikowano w: Elektrosystemy, nr 02 (181), 2015, ISSN 1509-2100, s. 58-60