⚡ Fázisjavítás és Kondenzátortelep méretezés

Kapcsolódó kulcsjegyzetek: Teljesítmények az AC hálózatban | Aszinkron motorok és hajtások | Frekvenciaváltók és Lágyindítók | Elektromos Autó Töltők (EV) | Kismegszakítók és biztosítók

Alapfogalom — Miért kell fázisjavítás?

Az induktív terhelések (motorok, transzformátorok, elektromágneses balaszok) meddő teljesítményt vesznek fel a hálózatból — ezt a hálózatnak le kell szállítania, de a fogyasztó nem végez hasznos munkát vele. Ez felesleges áramterhelést jelent a kábelekre és a transzformátorra.

Látszólagos teljesítmény: $$S = U \times I \quad \text{[VA]}$$

Hatásos teljesítmény: $$P = S \times \cos \varphi \quad \text{[W]} \quad \leftarrow \text{hasznos munka}$$

Meddő teljesítmény: $$Q = S \times \sin \varphi \quad \text{[VAR]} \quad \leftarrow \text{nem hasznos}$$

A teljesítményháromszög

        S (VA)
       /|
      / |
   P /  | Q
    /   |
   /φ   |
  /_____|

• $\cos \varphi$ = teljesítménytényező (power factor) — minél közelebb 1-hez, annál jobb
• $\varphi$ = a feszültség és az áram fázisszöge
• Induktív terhelésnél az áram késik a feszültség mögött $\rightarrow \varphi > 0$

1. Meddő teljesítmény hatásai

Ipari fogyasztóknál a közüzemi szerződés általában $\cos \varphi \ge 0,9$ (vagy $0,95$) teljesítését írja elő — alatta pótdíjat számítanak fel!

2. A szükséges kondenzátorteljesítmény meghatározása

Képlet

$$Q_C = P \times (\tan \varphi_1 - \tan \varphi_2) \quad \text{[kVAR]}$$

ahol:
$P$ = hatásos teljesítmény (kW)
$\varphi_1$ = jelenlegi fázisszög (meglévő $\cos \varphi_1$-ből)
$\varphi_2$ = kívánt fázisszög (célzott $\cos \varphi_2$-ből)

$\tan \varphi$ értékek gyorsan

Számítási példa

Adott: $P = 50 \text{ kW}$, jelenlegi $\cos \varphi_1 = 0,75$, cél $\cos \varphi_2 = 0,95$

$$Q_C = 50 \times (\tan \varphi_1 - \tan \varphi_2)$$

$$Q_C = 50 \times (0,882 - 0,329)$$

$$Q_C = 50 \times 0,553$$

$$Q_C = 27,65 \text{ kVAR}$$

$\rightarrow \sim 28 \text{ kVAR}$ kondenzátortelep szükséges

3. Kondenzátortelep típusok

Rögzített kondenzátor

• Állandó kapacitású — manuálisan kapcsolható
• Alkalmazás: egyetlen, közel állandó terhelésű motor mellé
• Előny: egyszerű, olcsó
• Hátrány: változó terhelésnél túlkompenzálhat $\rightarrow$ kapacitív üzem

Lépcsős automatikus kondenzátortelep

• Több lépcső, kontaktor + kondenzátor egységek
• Szabályozó (PF controller) méri a $\cos \varphi$-t és kapcsolja a lépcsőket
• Alkalmazás: változó terhelésű ipari rendszerek, főelosztói kompenzáció
• Tipikus lépcsőszám: 4–12

Folyamatosan szabályozható (TSC/TCR)

• Tirisztoros kapcsolás — lépcsők nélkül, folyamatos szabályozás
• Alkalmazás: gyorsan változó terhelések, hegesztők, daruk
• Drágább, de pontosabb

4. Kondenzátor elhelyezése

Elhelyezési lehetőségek és hatásuk

Optimális megoldás: A nagy motorok mellé egyedi kompenzáció, a főelosztónál automatikus csoportos kompenzáció a maradék meddő teljesítményre.

5. Kondenzátor méretezési szabályok

Motorok melletti kondenzátor maximuma

Motorok mellé helyezett kondenzátornál nem szabad túlkompenzálni — öngerjesztés (self-excitation) veszélye leálláskor:

$$Q_C(\max) \le Q_0 \quad \text{(a motor mágnesező meddő teljesítménye)}$$

Közelítő érték:

$$Q_C(\max) \approx I_0 \times U_n \times \sqrt{3} \quad \text{[VAR]}$$

ahol $I_0$ = motor üresjárati árama

Motorvédőn vagy frekvenciaváltón keresztül hajtott motoroknál ne helyezz kondenzátort a motor és a hajtás közé — a kondenzátor tönkreteheti a frekvenciaváltót! $\rightarrow$ Frekvenciaváltók és Lágyindítók

Kondenzátor névleges feszültsége

• Min. $U_n \times 1,1$ — a hálózati feszültség 10%-os ingadozását bírja
• Tipikus: 230 V hálózat $\rightarrow$ 250 V kondenzátor minimum

Kondenzátor védelme

• gG biztosíték vagy MCB a kondenzátor előtt
• Méretezés: $$I_n \ge 1,5 \times I_C$$ (kondenzátor névleges árama)
• Indulási áramcsúcs miatt nem szabad alulméretezni!

6. Felharmonikusok és kondenzátortelep

A modern elektronikus terhelések (frekvenciaváltók, UPS, számítógépek) felharmonikusokat generálnak — ezek a kondenzátorteleppel rezonanciajelenségeket okozhatnak.

Rezonancia veszélye

$$f_{\text{rezonancia}} = f_{\text{alap}} \times \sqrt{\frac{S_k}{Q_C}}$$

ahol $S_k$ = hálózat zárlati teljesítménye

Ha $f_{\text{rezonancia}}$ egybeesik egy jellemző felharmonikussal (5., 7., 11. stb.) $\rightarrow$ rezonanciás áramfelfutás $\rightarrow$ kondenzátor és hálózat tönkremenetele.

Megoldás: fojtótekercses (detuned) kondenzátortelep

• Minden kondenzátorral sorba induktív fojtó kerül
• A fojtó eltúning faktora: tipikusan $p = 5,67\%$ ($f_{\text{rezonancia}} = 189 \text{ Hz} \rightarrow$ 5. felharmonikus alatt)
• Megvédi a kondenzátort és szűri a felharmonikusokat

Felharmonikusos hálózatban (frekvenciaváltók, inverterek jelenlétében) fojtótekercses kondenzátortelep kötelező! $\rightarrow$ Frekvenciaváltók és Lágyindítók | Napelemes rendszerek (PV)

7. Mérés és ellenőrzés

Teljesítménymérő / $\cos \varphi$ mérő

• Valós idejű $P$, $Q$, $S$ és $\cos \varphi$ értékek mérése
• Hálózatanalizátor: felharmonikusokat is méri (THD)

Ellenőrzési szempontok

8. Tipikus hibák