Nisko-stratne elementy indukcyjne a efektywność ekonomiczna kompensacji mocy biernej

Rzeczywiste koszty elementów indukcyjnych

Rzeczywisty koszt dławików kompensacyjnych zawiera składniki związane z inwestycją i eksploatacją. Część inwestycyjna kosztów używana przez producentów w trakcie gry rynkowej jest ceną dławika, która stanowi niewielki element całkowitych kosztów. Ukryty lub niedostatecznie artykułowany jest koszt eksploatacji elementów indukcyjnych wynikający bezpośrednio z ich konstrukcji. Dławiki indukcyjne występujące w urządzeniach kompensacyjnych decydują o ich sprawności, gdyż są głównym źródłem start mocy w urządzeniu. Ograniczenie nadmiernych, rzeczywistych start mocy dławików wpływa nie tylko na trwałość i niezawodność urządzenia kompensacyjnego, ale przede wszystkim poprawia wynik ekonomiczny całego procesu kompensacji.

Dążenie do obniżenia ceny elementów indukcyjnych popycha producentów do kolejnych uproszczeń konstrukcji dławików. Powstają w ten sposób elementy indukcyjne niskiej jakości o wysokich stratach, w których dynamika przyrostu strat dodatkowych przy pojawieniu się wyższych harmonicznych prądu i napięcia w obwodzie jest bardzo duża. Straty dodatkowe w tak uproszczonych konstrukcyjnie i technologicznie elementach indukcyjnych rosną bardzo szybko i są często przyczyną uszkodzeń lub nieprawidłowej pracy urządzeń kompensacyjnych. Tabela 1. przedstawia porównanie całkowitych kosztów dławika kompensacyjnego o mocy 50kvar, w wykonaniu klasycznym oraz niskostratnym. Założono, iż dławik pracuje 12h/dobę a cena energii wynosi 70gr/kWh. Ograniczenie strat pozwala znacznie obniżyć duże koszty eksploatacyjne, które w okresie kilku lat trzykrotnie przewyższają cenę zakupu dławika. Wykonanie nisko-stratnego dławika kompensacyjnego pociąga za sobą wzrost kosztów inwestycyjnych, o 25%, co daje sumę około 2000 złotych. Niskostratna konstrukcja dławika pozwala jednak ograniczyć koszty eksploatacyjne o, blisko 30% czyli w pięcioletnim okresie eksploatacyjnym oszczędzamy sumę blisko 7 700 złotych. Jak widać koszty eksploatacyjne to duże straty energii, które należy brać pod uwagę bilansując planowane oszczędności wynikające z kompensacji mocy biernej.

Nisko-stratne dławiki rezonansowe i kompensacyjne

Dławiki kompensacyjne i dławiki rezonansowe (Rys.2 ), jako elementy urządzeń kompensacyjnych pracują w bardzo różnych warunkach zależnie od parametrów energii elektrycznej w miejscu przyłączenia do sieci [1].

Straty dławików zależą silnie od zawartości harmonicznych w prądzie dławika. W trakcie obliczeń niezwykle ważne jest właściwe określenie widma harmonicznych prądu w obwodzie dławika oraz amplitud tych harmonicznych zgodnie z rzeczywistymi warunkami pracy.

Tylko wówczas, gdy do projektu przyjęty zostanie rzeczywisty kształt napięcia i prądu, dławik będzie pracował poprawnie, osiągnie założone temperatury a wyliczone straty znajdą potwierdzenie podczas eksploatacji. [2,3]. Dobrym rozwiązaniem jest wykonanie pomiarów parametrów energii elektrycznej w planowanym miejscu pracy dławików, które pozwolą jednoznacznie i bezbłędnie określić warunki pracy elementów indukcyjnych.

W uzwojeniu dławika, w którym płyną prądy harmoniczne o stosunkowo wysokich częstotliwościach występuje efekt naskórkowości (ang. Skin effect) oraz efekt zbliżenia (ang. Pro-ximity effect). Zjawiska te mają istotny wpływ na wartość strat w uzwojeniach dławików a ich zrozumienie pozwala prawidłowo zaplanować ułożenie przewodów. Efekt naskórkowości wywołuje przepływ prądu jedynie w warstwie powierzchniowej przewodów, a grubość warstwy przewodzącej maleje ze wzrostem częstotliwości.

Ograniczenie zjawiska naskórkowości realizuje się stosując uzwojenia nawijane wiązką równoległych, izolowanych przewodów. Przekrój pojedynczego przewodu w wiązce definiowany jest w zależności od głębokości wnikania prądu na powierzchni przewodu. Głębokość wnikania prądu (1) zależy od częstotliwości (f), przenikalności magnetycznej (μ, μo, μr) oraz konduktywności (σ) przewodnika [4].

Na straty w rdzeniu magnetycznym dławika składają się podstawowe starty histerezowe i wiroprądowe oraz dodatkowe straty związane ze strumieniem rozproszenia, występujące zwłaszcza w miejscach nieciągłości rdzenia. Ograniczenie strat wiroprądowych poprzez pakietowanie rdzenia z cienkich, izolowanych blach w przypadku dławików nie wystarcza. W obszarach przyszczelinowych występuje zmiana kierunku przebiegu strumienia, który generuje dodatkowe straty wiroprądowe w materiale rdzenia, uzwojeniu oraz w przewodzących elementach konstrukcyjnych.

W rdzeniu magnetycznym przemagnesowywanym okresowo występują siły magnetyczne i magnetostrykcyjne. Wielkość sił magnetycznych i magnetostrykcyjnych zależy od maksymalnych, lokalnych wartości indukcji magnetycznej w rdzeniu. Działające siły wywołują zmienne naprężenia w blachach rdzenia, co skutkuje drganiami elementów konstrukcji i polem akustycznym wokół dławika. CorECOTM jest nisko-stratną technologią montażu i pakietowania wieloszczelinowych rdzeni dławikowych, która umożliwia zdecydowane ograniczenie start w rdzeniu przy jednoczesnym zmniejszeniu intensywności pola akustycznego wokół dławika [5]. Ograniczenie strat uzyskuje się poprzez zastosowanie wielu wąskich szczelin oraz optymalizację ich rozmieszczenia [6,7].