Compensarea factorului de putere

ncepusem data trecut s vorbesc despre factorul de putere i despre efectele lui asupra eficienei cu care energia electric este transportat de la generator la consumatori. Pentru astzi mi propusesem s vorbesc despre toate modurile i situaiile n care se poate face compensarea factorului de putere ns mi-am dat seama casta ar nsemna s folosesc noiuni care nc nu au fost prezentate pe Hobbytronica. De aceea, pentru a pstra lucrurile ct mai simple n acest articol m voi referi doar la compensarea factorului de putere din circuitele care conin doar componente pasive. Prin urmare, astzi vom vorbi despre: Ce nseamn compensarea factorului de putere ? Exemplu de calcul pentru compensarea factorului de putere al unui motor electric.Ce nseamn compensarea factorului de putere ?O definiie scurt ar suna cam aa:Compensarea factorului de putere presupune grupul de activiti prin care valoarea acestuia este adus ct mai aproape de 1.Pentru a nelege i mai bine este necesar s-i reamintesc c n cadrul circuitelor de curent alternativ formate din rezistene, bobine i condensatori: cantitile de energie electric pe care bobinele i condensatorii le ruleaz (le absorb sau le cedeaz) depind de valorile inductanelor i capacitilor acestora; absorbia i cedarea de energie electric de ctre condensatori i bobine provoac apariia puterii electrice reactive; bobinele i condensatorii legai n acelai circuit absorb i cedeaz energie electric n contratimp: cnd condensatorul absoarbe bobina cedeaz i viceversa; factorul de putere este raportul dintre puterea activ (cea de care ne folosim efectiv) i puterea aparent (cea care include i energia reactiv).Din cele spuse mai sus rezult c fiecare tip de component pasiv creeaz propriul tip de putere reactiv: prezena bobinelor n circuit provoac apariia puterii reactive inductive iar prezena condensatorilor d natere puterii reactive capacitive. Diferena dintre aceste dou tipuri este bineneles aceea c i ele se afl n contratimp: ntr-un circuit n care avem i bobine i condensatori, atunci cnd puterea reactiv inductiv intr n bobin, puterea reactiv capacitiv circula iese din condensator, i viceversa. Asta mai departe nseamn c puterea reactiv care iese din bobin se poate duce n condensator i viceversa.Ce concluzie simpl i cuprinztoare se poate extrage de aici ? Dac puterea reactiv inductiv este cantitativ egal cu puterea reactiv capacitiv, cele dou vor circula doar pe traseul dintre componentele care le creeaz (bobina i condensatorul). Cu alte cuvinte energiile reactive nu vor mai circula ntre circuit i generator. Ai putea spune eh i ce-i cu asta ?, iar eu i rspund c: prin ncrcare i descrcare, condensatorii absorb i bag forat n circuit cureni electrici de mare intensitate; prin ncrcarea i descrcarea energiei din bobine, acestea bag forat n circuit tensiuni electrice suplimentare; din cele dou scurte observaii de mai sus rezult c prezena puterii electrice reactive pe traseul dintre generator i circuit cere de la generator mai mult putere electric dect este nevoie i apoi i trimite napoi surplusul care nu-l folosete. Asta e ca i cum ai pstra n portbagajul mainii un pietroi: nu te ajut cu nimic dac-l plimbi cu maina ns la deal i foreaz motorul s consume mai mult iar la vale i accelereaz uzura frnelor.n realitate puterea reactiv inductiv rareori este egal cu puterea reactiv capacitiv. Din acest motiv, pentru a aduce cele doua tipuri de puteri reactive ct mai aproape de egalitate, n respectivul circuit se mrete fie inductana (dac puterea reactiv inductiv este mai mic dect cea capacitiv), fie capacitatea (dac puterea reactiv capacitiv este mai mic dect cea inductiv). Cu alte cuvinte:compensarea factorului de putere al unui circuit electric nseamn modificarea valorii unei componente reactive (a capacitii sau a inductanei) astfel nct efectele puterii reactive capacitive i ale puterii reactive inductive s se anihileze reciproc.Exemplu de calcul pentru compensarea factorului de putere al unui motor electric.n continuare o s-i art cum se face compensarea factorului de putere n cadrul unei situaii foarte des ntlnit n practic: cazul n care la reeaua electric sunt conectate motoare electrice cu o putere de cel puin cteva sute de W. n acest caz este vorba despre prezena n circuit a unei sarcini aproape exclusiv inductive pentru c motorul este format din bobine care doar n anumite configuraii sunt nsoite i de ceva condensatori. Avnd o sarcin aproape exclusiv inductiv rezult c ntre motor i generator va circula nite putere electric reactiv (inductiv), ceea ce nseamn c factorul de putere este mai mic dect 1.Concret, n cadrul situaiei discutate rezult c pentru a neutraliza efectele prezenei puterii reactive inductive compensarea factorului de putere trebuie fcut prin adugarea n circuit a unor condensatori a cror capacitate s creeze o putere reactiv capacitiv egal ca i valoare cu puterea reactiv inductiv. Este important ca valoarea condensatorilor de compensare s fie precis aleas pentru c alfel: o valoare prea mic nu va ameliora factorul de putere (adica ar fi ca i cum nu am fi intervenit cu nimic); o valoare prea mare va produce prea mult putere reactiv capacitiv: o parte va fi neutralizat de puterea reactiv inductiv iar restul va rmne s se zbenguie aiurea pe traseul dintre generator i circuit. Altfel spus, astfel am da-o din lac n pu.Pentru a determina ce capacitate va trebui s aib condensatorul de compensare, n mod ideal ar trebui s obinem cu ajutorul unui osciloscop defazajul dintre tensiune i curent introdus de circuit, pentru ca apoi s calculm factorul de putere. ns, m ndoiesc c ai avea un osciloscop la dispoziie :D. Din fericire, valoarea factorului de putere este de obicei notat pe placua cu informaii tehnice a motorului, prin simbolulcos sau pur i simplu(figura 1). Ca s nu rmi cu lacune,este defazajul dintre tensiune i curent de care vorbeam mai sus.

Figura 1. Indicarea valorii factorului de putere pe eticheta unui motor electricS presupunem c circuitul nostru are doar un motor electric de 2KW alimentat de la 220V/50Hz, pe a crui plcu scrie c are un factor de puterecos=0,7 .Asta nseamn c datele noastre iniiale sunt: Tensiunea de alimentare U=200[V]; Frecvena tensiunii de alimentare f=50[Hz]; Puterea activ P=2000[W]; Factorul de puterecos=0,7(Factorul de putere = Puterea activ/Puterea aparent); Puterea aparent S=2000[W]/0,7=2857[VA];Formula puterii reactive este:

i deci n cazul nostru, puterea reactiv Q are valoarea de:

Dup cum am pomenit i mai sus, tiind c al nostru consumator este un motor electric, este logic s credem c puterea reactiv calculat mai sus este de tip inductiv. Prin urmare, n acest caz compensarea factorului de putere ar consta n conectarea n circuitul nostru a unui condensator care s produc 2040 VAR de putere reactiv capacitiv (pe care o vom nota cu QC).Formula general a puterii reactive este:

unde: U tensiunea de alimentare exprimat n V (voli); X reactana componentei care produce puterea reactiv, exprimat n (ohmi).n cazul de fa formula devine:

unde XCeste reactana capacitiv. Se observ c XCeste singurul termen pe care nu-l tim i deci hai s-l aflm:

Mai tim c formula reactanei capacitive este:

n ea vedem c apare i o capacitate C, care este tocmai valoarea condensatorului pe care vrem s-o aflm. n cazul nostru vom nota aceast capacitate cu CVi astfel vom obine:

Dac facem mprirea lui 1 la 7418 vom obine valoarea condensatorului n farazi [F], adic un crnat de 0,000 [F] ceea ce nu e prea plcut ochiului. Aa c voi nmuli acel raport cu 1 milion (pentru c microfaradul este de 1 milion de ori mai mic dect faradul) i voi afla c valoarea condensatorului de compensare ar trebui s fie de:

Acest rezultat arat c dac vom aduga n circuitul motorului un condensator de 134,8 F puterea reactiv capacitiv i cea capacitiv se vor anula complet reciproc.N-ai s gseti nicieri un condensator de fix 134,8 F ns poi folosi ori o valoare apropiat (de exemplu 100 F) sau dac vrei s fii mai ateu dect papa poi lega n paralel mai multe condensatoare astfel nct s obii o valoarea ct mai apropiat de 134,8 ( de exemplu 100 F + 22 F + 10F+ 2,2 F).Dup cum vezi, compensarea factorului de putere presupune calcule destul de simple. Att de simple nct se preteaz n a fi inclus ntr-un calculator on-line. Am i asta n plan ns pn atunci trebuie s-i mai spun c atunci cnd n circuit predomin puterea reactiv capacitiv, modul de calcul al inductanei de compensare este identic (bineneles, nlocuind relaia reactanei capacitive cu cea a reactanei inductive).Tot referitor la cazul exemplificat mai sus trebuie s ii cont de faptul c la compensarea factorului de putere trebuie s foloseti doar condensatori nepolarizai (de curent alternativ). Pe lng asta, tensiunea de lucru a condensatorilor de compensare trebuie s fie cu cel puin 50% mai mare dect tensiunea de alimentare a circuitului n care sunt montai. Motivul l voi detalia ntr-un articol viitor cnd voi vorbi despre modurile n care se poate msura/exprima tensiunea electric alternativ. Ca i concluzie este bine s reii c, pentru compensarea factorului de putere din circuitele electrice alimentate de la priz va trebui s foloseticondensatori nepolarizai cu tensiunea de lucru de 400V.Exemplul discutat se refer la cazul n care motorul este alimentat cu tensiune monofazic. Pentru compensarea factorului de putere a motoarelor trifazice, calculul de mai sus rmne valabil cu excepia faptului c valoarea calculat a condensatorului de compensare va fi mprit la 3, pentru c trebuie s distribuim acea capacitate ntre toate cele 3 bobine ale motorului. Pe scurt, n cazul trifazic ne vor trebui 3 condensatori de 134,8 / 3 F. 134,8 / 3 F ne d cam 45 F aa c, din nou, va trebui s caui n magazine o valoare apropiat.Acum c tim ce condensatori de compensare ne trebuie, nu a rmas dect s-i montm. Cum ? Pai n cazul monofazic, condensatorul sau condensatorii se conecteaz n paralel cu motorul (direct pe bornele acestuia), iar n cazul trifazic, fiecare din cei 3 condensatori se leag ntre cte o pereche de faze. Pentru clarificare trage o privire peste figura de mai jos.

Figura 2. Compensarea factorului de putere. Conectarea condensatorilor de compensare.tiu c nc nu am vorbit despre tensiuni trifazice i monofazice, aa c pn cnd voi aborda i acest subiect ine minte urmtoarele: un cablu de alimentare monofazic are: un fir pentru nul (culoarea standard este maro), un fir pentru faz (culoarea standard este albastru) i uneori un fir pentru mpmntare (culoarea standard este galben-verde); un cablu de alimentare trifazic ar trebui s aib trei fire pentru cele 3 faze (colorate fiecare n maro, negru i gri), un cablu pentru nul (de culoare albastr) i un fir pentru mpmntare (de culoare galben-verde).Chiar dac m repet, condensatorii folositi pentru compensarea factorului de putere trebuie conectai direct pe bornele motorului. De ce ? Pentru c dac de exemplu i legm nainte de ntreruptorul cu care pornim i oprim motorul, atunci cnd motorul este oprit, condensatorul nostru rmne n continuare conectat la reeaua electric. Ce nseamn asta ? nseamn c n lipsa bobinelor motorului, puterea reactiv creat de condensatorul de compensare nu va mai fi contrabalansat de nimic. Consecine ? n cazul n care nu-i vor sri imediat siguranele de la tabloul electric, contorul de energie reactiv va nota cu lcomie n index mult mult energie reactiv.Important de menionat ar mai fi faptul c n cazul unui circuit n care avem dispozitive care produc putere reactiv (motoare electrice, transformatoare electrice, electromagnei etc.) factorul de putere variaz n funcie de puterea activ consumat de acestea. Altfel spus, cnd un motor electric merge n gol avem un anumit factor de putere, iar cnd motorul trage din greu avem alt factor de putere. Din acest motiv, n electrotehnica de mare putere, compensarea factorului de putere se face cu ajutorul unor instalaii speciale care n funcie de valoarea curent a factorului de putere conecteaz n circuit mai muli sau mai puini condensatori de compensare. Cteva exemple gsetiaici.n final vreau s subliniez: compensarea factorului de putere nu este o form de furt, nu este o mecherie prin care pcleti contoarele de energie electric astfel nct s plateti mai puin. Compensarea factorului de putere ar fi echivalentul mbuntirii izolaiei termice n locuine n scopul reducerii pierderilor de cldur. Prezena energiei reactive n reelele de alimentare cu energie electric nu folosete nimnui, ns produce pierderi care n cele din urma tot de consumatori trebuie pltite.