Cos'è la compensazione della potenza reattiva e come viene calcolato l'importo della compensazione?

Nel lavoro quotidiano ti trovi spesso di fronte a questa domanda: la capacità dei trasformatori viene misurata in kilovolt-ampere (kVA), la potenza di uscita dei motori in kilowatt (kW) e la potenza di compensazione dei condensatori in vars o kilovar (var). Perché esistono tre termini diversi per le unità che rappresentano tutti energia elettrica?

Questo ci porta all'argomento di cui parleremo oggi: la relazione intrinseca tra potenza reattiva (unità: var o kvar), potenza attiva (unità: W o kW), potenza apparente (unità: VA o kVA) e fattore di potenza.

 

I. Nella rete elettrica, l'energia elettrica fornita dalla sorgente al carico può essere classificata in due tipi: potenza attiva e potenza reattiva.

(1) Potenza reattiva (Q):
Molti dispositivi elettrici funzionano secondo i principi dell'induzione elettromagnetica, come trasformatori di distribuzione e motori. I motori richiedono la creazione e il mantenimento di un campo magnetico rotante per azionare il rotore, che a sua volta aziona il movimento meccanico. Il campo magnetico del rotore in un motore viene generato prelevando potenza reattiva dalla fonte di alimentazione.
I trasformatori richiedono anche potenza reattiva per generare un campo magnetico nell'avvolgimento primario e indurre tensione nell'avvolgimento secondario. Pertanto, senza potenza reattiva, i motori non ruoterebbero, i trasformatori non potrebbero trasformare la tensione e i contattori CA non si attiverebbero. I generatori possono produrre potenza reattiva e i condensatori possono fornire potenza reattiva-questa è la base della compensazione della potenza reattiva.

(2) Potenza attiva (P):
La potenza attiva si riferisce alla porzione di energia elettrica che può essere convertita direttamente in altre forme di energia e consumata. Ad esempio, un motore converte l'energia elettrica in energia meccanica. Senza considerare l’efficienza, un motore da 11 kW può convertire 11 kWh di energia elettrica in una quantità equivalente di energia meccanica all’ora. Una lampada a incandescenza da 100 W converte 0,1 kWh di energia elettrica in energia luminosa all'ora. Allo stesso modo, un riscaldatore da 1 kW converte 1 kWh di energia elettrica in energia termica all'ora. La potenza attiva è la potenza elettrica che può essere trasformata direttamente in altre forme di energia.

(3) Potenza apparente (S):
In un certo senso, la potenza apparente è la combinazione di potenza attiva (P) e potenza reattiva (Q). Per le fonti di energia, la potenza apparente comprende sia la potenza attiva che quella reattiva. Ad esempio, la potenza fornita da un trasformatore comprende sia componenti attivi che reattivi, motivo per cui la capacità dei trasformatori è espressa in potenza apparente, misurata in kilovolt-ampere (kVA).

 

II. La relazione tra potenza attiva, potenza reattiva e potenza apparente

Per spiegare la relazione tra questi tre, dobbiamo prima capire qual è il fattore di potenza.

In un circuito CA, il coseno della differenza di fase (Φ) tra tensione e corrente è chiamato fattore di potenza, indicato come cosΦ. Numericamente, il fattore di potenza è il rapporto tra potenza attiva e potenza apparente, ovvero cosΦ=P/S.

 

 

(1) Cos'è esattamente la potenza reattiva?

Sulla base delle relazioni illustrate dal triangolo di potenza, dal triangolo di tensione e dal triangolo di impedenza, la potenza reattiva può essere semplicemente intesa in termini pratici come segue:
In un circuito elettrico, i componenti puramente resistivi si consumanopotenza attiva (P), mentre i componenti induttivi (come bobine di reattori, avvolgimenti di trasformatori e statori o rotori di motori) consumanopotenza reattiva (Q). D'altro canto, i componenti capacitivi forniscono potenza reattiva (Q) - ad esempio condensatori e generatori sincroni. (Nota: quando un generatore sincrono è in funzione, i suoi avvolgimenti si comportano in modo capacitivo, il che significa che fornisce sia potenza attiva che potenza reattiva.)

Quindi un semplice riassunto è:
I componenti induttivi o capacitivi sono consumatori e fornitori di potenza reattiva.

(2) Quali sono gli impatti negativi della potenza reattiva?

Riduce la potenza attiva dei generatori
Questo perché la capacità totale (cioè la potenza apparente S) di un generatore è fissa. Se viene fornita troppa potenza reattiva Q, la potenza attiva P diminuirà di conseguenza; in caso contrario, il generatore potrebbe sovraccaricarsi.

Riduce la capacità di alimentazione delle apparecchiature di trasmissione e distribuzione
La logica è la stessa che vale per i generatori.

Aumenta le perdite di tensione di linea
All’aumentare della componente di corrente reattiva nel circuito, aumenta anche la corrente totale. La caduta di tensione (δU=IZ) è proporzionale alla corrente. Cadute di tensione maggiori richiedono un aumento dell'area-della sezione trasversale dei conduttori, con conseguenti costi di investimento più elevati.

 

(3) I vantaggi della potenza reattiva

Molti dispositivi elettrici funzionano secondo i principi dell'induzione elettromagnetica, come trasformatori di distribuzione e motori.

I motori richiedono la creazione e il mantenimento di un campo magnetico rotante per azionare il rotore, che a sua volta aziona il movimento meccanico. Il campo magnetico del rotore in un motore viene generato prelevando potenza reattiva dalla fonte di alimentazione.

Allo stesso modo, i trasformatori necessitano di potenza reattiva per creare un campo magnetico nell'avvolgimento primario, inducendo così tensione nell'avvolgimento secondario.

Pertanto, senza potenza reattiva:

I motori non ruotavano,

I trasformatori non potevano trasformare la tensione,

I contattori CA non si attiverebbero.

Da ciò risulta chiaro che la potenza reattiva gioca un ruolo di supporto nella conversione e trasformazione dell'energia elettrica. Senza potenza reattiva non è possibile creare campi magnetici e convertire l’energia elettrica in energia meccanica.

 

III. Come eseguire la compensazione della potenza reattiva e calcolare l'importo della compensazione?

Sopra, abbiamo analizzato insieme i ruoli e gli svantaggi della potenza reattiva. Gli svantaggi principali sono: in primo luogo, aumenta la capacità dei trasformatori e l'area della sezione trasversale dei conduttori, il che aumenta indirettamente i costi del progetto; in secondo luogo, dopo l'operazione, il fattore di potenza non deve scendere al di sotto di 0,9, altrimenti l'azienda fornitrice di energia infliggerà sanzioni.

Pertanto, durante la progettazione ingegneristica, dobbiamo considerare pienamente questo problema. Nei sistemi di alimentazione senza generatori, i condensatori in parallelo vengono generalmente utilizzati per migliorare il fattore di potenza delle sottostazioni. Il principio è quello di fornire potenza reattiva localmente, eliminando la necessità di prelevare potenza reattiva dalla rete. Questo approccio non solo riduce la capacità richiesta dei trasformatori ma migliora anche il fattore di potenza sul lato della misurazione.

 

(1) Selezione dei metodi di compensazione dei condensatori

1.Quando si utilizzano condensatori di potenza shunt come dispositivi di compensazione della potenza reattiva artificiale, per ridurre al minimo le perdite di linea e le cadute di tensione, la compensazione deve essere bilanciata localmente. Ciò significa che la potenza reattiva nelle sezioni a bassa-tensione dovrebbe essere compensata da condensatori a bassa-tensione, mentre la potenza reattiva nelle sezioni ad alta-tensione dovrebbe essere compensata da condensatori ad alta-tensione.

Se non è presente un carico ad alta-tensione, i dispositivi con condensatore di shunt non devono essere installati sul lato dell'alta-tensione.

Quando si esegue la compensazione individuale locale per apparecchiature alimentate a motore-, la corrente nominale del condensatore di compensazione non deve superare 0,9 volte la corrente di eccitazione del motore.

Durante i calcoli del carico elettrico, dovrebbe essere inclusa la potenza reattiva compensata.

2.Le modalità di commutazione per i banchi di condensatori di compensazione sono suddivise in manuale e automatica.

La commutazione manuale è adatta per banchi di condensatori che compensano la potenza reattiva di base a bassa-tensione, nonché per banchi di condensatori ad alta-tensione con domanda di potenza reattiva stabile e commutazione poco frequente.

Per evitare una sovra-compensazione o una tensione eccessiva durante i carichi leggeri, che potrebbero danneggiare alcune apparecchiature elettriche, si consiglia la commutazione automatica.

Se gli effetti dei dispositivi di compensazione automatica ad alta-tensione e a bassa-tensione sono simili, si dovrebbero preferire i dispositivi di compensazione automatica a bassa-tensione.

3.Metodi di regolazione per la compensazione automatica della potenza reattiva:

Per compensazioni mirate principalmente al risparmio energetico si possono utilizzare per la regolazione parametri come la potenza reattiva.

Per carichi a impatto, carichi che cambiano dinamicamente-veloce e carichi trifase sbilanciati, è possibile utilizzare tiristori (interruttori elettronici) per il controllo, garantendo un funzionamento regolare senza correnti di spunto, fornendo buone prestazioni dinamiche e consentendo il controllo-segregato in fasi per effetti di bilanciamento delle tre-fasi.

4.Quando si raggruppano i condensatori, è necessario garantire la compatibilità con i parametri tecnici delle apparecchiature di supporto. È necessario rispettare l'intervallo consentito di deviazione della tensione e impegnarsi a ridurre il numero di gruppi aumentando adeguatamente la capacità di ciascun gruppo.

La commutazione di condensatori raggruppati non dovrebbe indurre risonanza.

5. I banchi di condensatori ad alta-tensione dovrebbero preferibilmente essere collegati in serie con reattori di dimensioni adeguate, mentre i banchi di condensatori a bassa-tensione dovrebbero aumentare la capacità di commutazione utilizzando contattori di commutazione o tiristori dedicati per ridurre le correnti di spunto durante la commutazione.

Sulle linee notevolmente interessate dalle armoniche provenienti dalle apparecchiature elettriche, i reattori devono essere collegati in serie con i banchi di condensatori.

 

(2) Calcolo della capacità di compensazione del condensatore

 

L'obiettivo è determinare la potenza reattiva Qc (kvar) richiesta