TEORIA – CZYM JEST MOC BIERNA I DLACZEGO POWINNIŚMY JĄ KOMPENSOWAĆ?
Odbiorniki energii elektrycznej, oprócz poboru mocy czynnej (użytecznej), charakteryzują się często również poborem mocy biernej (związanej z wytworzeniem określonych warunków fizycznych w układach, ze wzbudzaniem pól magnetycznych i elektrycznych, z gromadzeniem energii w tych polach itp.).
Czym jest moc bierna indukcyjna i pojemnościowa
W przypadku wykorzystania np. transformatorów bądź dławików układy, które zawierają te elementy, pobierają moc czynną oraz moc bierną indukcyjną. Do niedawna był to najczęściej spotykany charakter obciążenia (rezystancyjno-indukcyjny), występujący w zakładach przemysłowych i gospodarstwach domowych. Obecnie wiele urządzeń (w tym np. sprzęt informatyczny, oświetlenie LED, urządzenia wyposażone w zasilacze impulsowe) bardzo często ma charakter rezystancyjno-pojemnościowy, a zatem sieć energetyczna obciążana jest oprócz mocy użytecznej (czynnej) także mocą bierną pojemnościową. Energia bierna przepływa pomiędzy siecią zasilającą a odbiornikiem, nie jest zamieniana na użyteczną pracę, ale jest niezbędna do poprawnego działania wielu odbiorników energii elektrycznej.
MOC CZYNNA (P) – jest mocą użyteczną, związana jest z energią elektryczną przetwarzaną na energię mechaniczną, cieplną bądź świetlną. Jednostką mocy czynnej jest wat.
[P]= 1 W, wymiarem 1 [W] jest 1 [V] x 1 [A]
MOC BIERNA (Q) – nie jest mocą użyteczną, związana jest z wytworzeniem określonych warunków fizycznych (wytwarzanie pól magnetycznych i elektrycznych, gromadzenie energii w polu magnetycznym i elektrycznym itp.). Jednostką mocy biernej jest var.
[Q]= 1 var, wymiarem 1 [var] jest 1 [V] x 1 [A]
W zależności od rodzaju odbiornika wyróżniamy:
MOC BIERNĄ INDUKCYJNĄ (QL) – związaną z urządzeniami zawierającymi uzwojenia (indukcyjności) takimi jak: silniki, transformatory, dławiki, piece indukcyjne itd.
MOC BIERNĄ POJEMNOŚCIOWĄ (QC) – związaną z wykorzystaniem kondensatorów bądź np. z długimi odcinkami kabli będących pod napięciem, wyposażone w układy zasilania np. w oświetleniu LED.
Trójkąt mocy i współczynnik mocy
Mocą całkowitą czyli sumą geometryczną mocy czynnej oraz biernej jest MOC POZORNA (S). Moc czynną, bierną i pozorną można przedstawić graficznie w postaci trójkąta mocy.
Z trójkąta tego wynika, że cos φ jest stosunkiem mocy czynnej do pozornej i nazywany jest współczynnikiem mocy (ang. power factor). Współczynnik ten jest ogólnie przyjętym wskaźnikiem gospodarowania energią i parametrem odbiorników energii elektrycznej.
Stosunek między pobieranymi mocami (oprócz współczynnika mocy cos φ) przedstawiany jest również jako tg φ, czyli stosunek mocy biernej do mocy czynnej:
tg φ=Q/P
Całkowitą moc użyteczną (czynną) należy dostarczać do odbiorników za pomocą sieci zasilającej (z czym połączone jest zawsze powstawanie strat energetycznych w urządzeniach wytwórczych oraz przesyłowych, związanych z dostarczaniem energii).
Obecność mocy biernej w sieci elektroenergetycznej jest niepożądana, ponieważ powoduje powstawanie dodatkowych strat, a ponadto wpływa na zmniejszanie możliwości przesyłowych energii za pomocą istniejących urządzeń. Pobór mocy biernej można wyeliminować na miejscu, załączając się do układu z dodatkowym urządzeniem obciążającym mocą bierną o przeciwnym charakterze niż pierwotnie pobierana – mówi się wówczas o kompensacji mocy biernej.
Kompensacja mocy biernej polega więc na jej wytworzeniu w miejscu zapotrzebowania tzn. zrównoważeniu pobieranej przez odbiorniki mocy biernej, mocą bierną o tej samej lub zbliżonej wartości lecz przeciwnym zwrocie. Dzięki temu nie trzeba jej przesyłać od wytwórcy do odbiorcy, powoduje to zmniejszenie natężenia prądu w sieci, a co za tym idzie – zmniejszenie spadku napięcia i strat mocy w liniach przesyłowych.
Biorąc pod uwagę fakt, że dostawcy energii zarabiają na dostarczonej do odbiorcy energii czynnej zależy im, aby mogli przesyłać jak największą ilość tej energii, przy jednocześnie jak najmniejszych jej stratach i zachowaniu wymaganych parametrów. Straty wynikłe z energii biernej w układzie dostawcy rekompensują sobie poprzez określenie limitów mocy biernej, których przekroczenie wiąże się z poniesieniem dodatkowych opłat przez odbiorców.
POBÓR ENERGII BIERNEJ = DODATKOWY KOSZT DO RACHUNKU ZA ENERGIĘ!!!
Na rachunku za energię wprowadzany jest współczynnik tgφ będący stosunkiem mocy biernej do czynnej. Większość dostawców energii elektrycznej w Polsce ustala tolerowaną przez nich wartość tgφ (przy poborze energii biernej indukcyjnej) na poziomie 0,4. Oznacza to, że za pobór energii biernej indukcyjnej naliczane są opłaty wtedy, gdy jej zużycie przekroczy 40% energii czynnej.
W przypadku mocy biernej pojemnościowej jakikolwiek jej pobór traktowany jest jako ponadumowny i związany jest od razu z naliczaniem opłat.
Koszty związane z ponadumownym poborem mocy biernej w niektórych przypadkach mogą stanowić 1/3 wartości miesięcznej faktury za energię elektryczną. Zastosowanie odpowiednich urządzeń kompensujących pobieraną moc bierną niweluje tę opłatę do zera.
Optymalna sytuacja to taka, w której moc pozorna (S) byłaby równa mocy czynnej (P), a więc w której moc bierna (Q) ma wartość 0. Kąt przesunięcia fazowego (φ) równy byłby wówczas 0 (cos φ = 1, tg φ = 0). Aby w warunkach rzeczywistych osiągnąć takie wartości stosuje się kompensację mocy biernej.
Funkcjonalność kompensacji mocy biernej zaimplementowana została w zasilaczach UPS serii POWERLINE GREEN PRO, polega ona na takim zarządzaniu prądem na wejściu zasilacza (w układzie prostowniczym; bez dołączania dodatkowych urządzeń), że w układzie następuje pełna kompensacja mocy biernej pojemnościowej UPS-a. Oznacza to, że opisany wcześniej współczynnik mocy takiego układu cos φ sprowadzany jest do 1 niezależnie od wartości pobieranej mocy czynnej.
KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ W PRAKTYCE – STUDIUM PRZYPADKU
Ponieważ na wejściu zasilaczy UPS występują układy zawierające kondensatory, to każdy taki zasilacz, oprócz poboru mocy czynnej (użytecznej), charakteryzuje się poborem mocy biernej pojemnościowej. W standardowych rozwiązaniach zasilaczy UPS stosowane są układy PFC 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. W zasilaczach UPS EVER POWERLINE GREEN PRO taka sytuacja nie ma miejsca – następuje pełna kompensacja mocy biernej pojemnościowej. Na rysunkach 1a i 1b zamieszczono wyniki pomiarów przeprowadzone na wejściu zasilacza UPS POWERLINE GREEN PRO z kompensacją mocy biernej oraz bez kompensacji.
Rys. 1 Pobór mocy biernej pojemnościowej przez zasilacze z kompensacją i bez.
W poniżej tabeli pokazano realne oszczędności (w skali roku) stosowania zasilacza UPS z kompensacją mocy biernej – UPS EVER POWERLINE GREEN PRO.
CO ZYSKUJESZ, ILE OSZCZĘDZASZ?
Przypadek 1
Czy opłaty za pobór energii biernej pojemnościowej mogą być spowodowane przez pracę zestawów komputerowych (ilość 30 szt.), pracujących 24 h / dobę?
Odpowiedź: Zakładając, że pojedynczy włączony komputer powoduje pobór około 30 var mocy biernej pojemnościowej. Wynika z tego, że:
30 KOMPUTERÓW x 24 h x 30 var = 21,6 kvar / dobę (dla całego systemu)
Za energię bierną pojemnościową (w zależności od operatora i wynegocjowanych umów) opłata może być do 3 razy większa niż za energię czynną. Widać na tym przykładzie, że energia bierna pojemnościowa może okazać się większym problemem w zwykłym biurze z dużą ilością stanowisk komputerowych niż w zakładzie produkcyjnym.
Przypadek 2
W budynku banku, gdzie jako odbiorniki energii funkcjonują głównie: 23 komputery, serwery, 2 urządzenia wielofunkcyjne (drukarko-kopiarki), drukarka laserowa, system zasilania gwarantowanego UPS, bankomat, 4 układy klimatyzacji, układy oświetlenia energooszczędnego oraz drobny sprzęt biurowy.
Z pomiarów wynika jednoznacznie, że w badanym obiekcie ma miejsce duży pobór mocy biernej pojemnościowej (rzędu 3 kvar), co dotkliwie odczuwane jest przez użytkownika (opłaty za pobór energii biernej pojemnościowej są wyższe od opłat za pobór energii czynnej).
3 kvar x 24h x 0,54zł (stawka za kvarh) = 38,88zł / dobę
W skali roku: 14 191 zł.
Wnioski
Dzięki zastosowaniu UPS EVER POWERLINE GREEN 33 PRO oprócz podstawowego zadania jakim jest podtrzymanie zasilania podczas zaników napięcia sieciowego oraz bieżącej poprawy jakości zasilania i filtracji zakłóceń ze względu na wprowadzenie funkcji kompensacji mocy biernej (całkowitej eliminacji poboru z sieci mocy biernej pojemnościowej) uzyskuje się eliminację opłat za energię bierną pojemnościową. Dzięki temu osiąga się wzrost niezawodności funkcjonowania całego systemu oraz realne oszczędności finansowe wynikające z braku opłat za moc bierną pojemnościową. Zastosowanie centralnego zasilacza UPS z funkcjonalnością kompensacji mocy biernej rozwiąże problem i jak wynika z rachunku za energię pokryje koszty zakupu UPS-a w ciągu 2 – 3 lat użytkowania.