Procedeul practic de compensare în industrie se va hotărî de la caz la caz, ţinând seama de situaţia reţelei de distribuţie, de felul şi numărul consumatorilor electrici, de puterea motoarelor asincrone etc.

În practică pot fi întâlnite următoarele moduri de compensare:

Ø compensare individuală;

Ø compensare pe grupe;

Ø compensare centralizată;

Ø compensare mixtă.

Compensare individuală. Prin compensare individuală se înţelege conectarea în derivaţie a unui condensator de mărime adecvată la un consumator inductiv. Prin aceasta se evită toate neajunsurile consumului de putere reactivă, dat fiind faptul că curentul reactiv circulă numai prin circuitul de legătură între consumatorul inductiv şi condensator (fig. 4.6, a). Toate elementele din sistem – generator, linie, transformator – se descarcă în acest fel de circulaţia curentului reactiv cerut de consumator.

Prin aceasta este posibil să se utilizeze secţiuni mai mici în linii şi să se reducă concomitent mărimea transformatoarelor.

Dat fiind faptul că costul condensatorului raportat la unitatea de putere (kVAr) creşte cu micşorarea puterii condensatorului, procedeul, devenind neeconomic la o durată mică de funcţionare. Literatura de specialitate precizează cazurile când poate fi utilizată compensarea individuală şi anume:

Ø aparatele şi maşinile electrice se pretează la compensarea individuală dacă durata stării de conectare a condensatoarelor este de minimum 50-70% din timpul total de funcţionare al acestora;

Ø puterea necesară a condensatoarelor este de 10-15 kVAr, deci pentru motoare cu puterea nominală de peste 37-45 kW.

Făcând însă o analiză mai atentă a acestui mod de compensare, se ajunge la concluzia să se folosească compensarea individuală în măsură cât mai mare, pentru următoarele motive:

Ø cu toate că procedeul de compensare individuală este cel mai scump dintre toate procedeele de compensare, întrucât necesită cea mai mare putere de compensare, cu ajutorul lui se obţin cele mai mari economii la pierderile de energie precum şi o îmbunătăţire adecvată a tensiunii;

Ø prin alegerea corectă a puterii de compensare, nu poate avea loc fenomenul de supracompensare, întrucât condensatorul se conectează şi se deconectează odată cu maşina de lucru;

Ø nu necesită instalaţii de reglaj;

Ø problema regimului de exploatare a motoarelor şi deci a compensatoarelor nu trebuie să fie hotărâtoare, deoarece, de exemplu dacă un motor asincron precum şi agregatul acţionat este în funcţiune numai câteva ore pe zi, nu înseamnă că acest timp ar fi neeconomic pentru condensator când preţul acestuia este neînsemnat faţă de cel al unităţii funcţionale (motor + agregatul acţionat). De fapt, unitatea funcţională este neeconomică şi nu condensatorul care îşi îndeplineşte rolul atâta timp cât este cuplat.

În figura 4.6, b se prezintă schema de principiu privind compensarea unui motor asincron prin montarea în paralel a unui condensator. Atât motorul cât şi condensatorul folosesc acelaşi întreruptor.

Compensarea de grup. Compensarea de grup constă în montarea unei baterii la barele de joasă sau medie tensiune de la care se alimentează un grup mai mare de motoare asincrone (fig. 4.7). Avantajul acestui mod de compensare constă în faptul că se reduc pierderile de putere şi energie electrică activă în instalaţiile din amonte şi bateriile rămân în funcţiune când iese unul, o parte sau toate motoarele din funcţiune.

La dimensionarea condensatoarelor pentru compensare de grup trebuie să se ţină seama de factorul de simultaneitate al consumatorilor, adică de raportul între puterea tuturor consumatorilor în funcţiune şi puterea totală instalată a consumatorilor. În acest fel se face economie de putere la bateria de condensatoare printr-o utilizare mai bună a condensatoarelor şi o reducere a costurilor de investiţii.

În ipoteza că compensarea individuală este realizată consecvent, compensarea pe grup îşi pierde importanţa. Dacă aceasta se realizează în paralel cu compensarea individuală, trebuie asigurată o instalaţie de reglaj, care având în vedere numărul mare al tablourilor de distribuţie devine neeconomică, încărcând costul acestui procedeu de compensare.

Compensarea centralizată. În practică, se preferă de mai multe ori compensarea centralizată, sistem prin care puterea reactivă a mai multor consumatori este compensată printr-o instalaţie centrală, de condensatoare, conectată la barele colectoare (fig. 4.8).

În cazul compensării centralizate pe partea de joasă tensiune, linia de transport de înaltă şi medie tensiune, transformatoarele şi generatoarele sunt descărcate de circulaţia de curenţi reactivi (fig. 4.8, a). În această situaţie nu se mai poate însă realiza reducerea secţiuni conductoarelor pe derivaţiile spre motoare.

Compensarea centralizată, execută pe partea de medie tensiune a postului de transformare, prezintă dezavantajul faţă de cazul anterior că nu se mai descarcă transformatorul din post de circulaţie de putere reactivă (fig. 4.8, b).

Pentru evitarea în compensarea centralizată a unei subcompensări sau supracompesări a puterii reactive, bateria de condensatoare este divizată în trepte de putere, care pot fi conectate sau deconectate în funcţie de valoarea puterii reactive absorbite. În acest caz se impune o instalaţie de reglaj automat a puterii. Numai în unele cazuri, în care variaţiile puterii reactive pot fi cunoscute sau prevăzute, se poate utiliza comanda manuală.

Compensarea mixtă. Prin aceasta se înţelege utilizarea tuturor procedeelor arătate pentru compensarea puterii reactive la un consumator industrial mare (fig. 4.9). Asemenea cazuri se întâlnesc, în general, la consumatorii care se dezvoltă în etape sau atunci când acţiunea de compensare se face ţinând seama de specific şi de anumite aspecte de investiţii.

Procedeul ce se va utiliza pentru compensarea puterii reactive depinde de condiţiile specifice fiecărei unităţi, de nivelul tehnic, de posibilităţile de procurare a instalaţiilor tehnice precum şi de relaţiile furnizor-cumpărător. În toate cazurile însă decizia asupra modului de compensare a puterii reactive se va lua pe baza studierii mai multor variante, cu alegerea variantei optime prin criteriul cheltuielilor minime actualizate.

2. Criterii şi calcule tehnico-economice pentru alegerea variantei optime de compensare

Înainte de a se trece la calculul tehnico-economic privind compensarea puterii reactive prin mijloace speciale trebuie examinată aplicarea măsurilor naturale de creştere a factorului de putere.

Soluţia optimă de compensare pentru consumatorii importanţi trebuie aleasă între mai multe variante, dintre care una este compensarea centralizată şi alte variante de compensare descentralizată. Pentru fiecare variantă se studiază compensarea până la diferite nivele ale factorului de putere.

Determinarea soluţiei şi nivelului de compensare optimă se face prin aplicarea metodei cheltuielilor totale actualizate.

Această metodă ţine seama de faptul că o aceeaşi sumă, cheltuită în ani diferiţi, nu are aceeaşi valoare pentru economia naţională.

Cheltuielile totale actualizate pentru varianta analizată se determină cu expresia:

A_j =

în care: A_j sunt cheltuielile totale actualizate pentru varianta j, în lei;

i – anul în care se face o parte din cheltuiala totală;

n – anul final al perioadei de realizare;

a – rata de actualizare, care este de 8% conform PE 011/1975 a M.E.E.;

I_ji – investiţia făcută în anul i, pentru instalaţiile prevăzute a se realiza în varianta j, care se majorează cu investiţiile de echivalare a puterii active pierdute, în lei/kW instalat în centrală;

C_ji – sunt cheltuielile anuale de exploatare din anul i, pentru varianta j, la care se adaugă cheltuielile de echivalare pentru energia electrică pierdută;

V_ji – valoarea reziduală a echipamentului care în urma lucrărilor efectuate urmează să se demonteze în anul i, sau dacă i = n, valoarea încă neamortizată a echipamentului.

Aplicarea metodei cheltuielilor totale actualizate

Calculele tehnico-economice constau în compararea diverselor variante studiate pentru determinarea aceleia care conferă eficienţă economică maximă. Pentru determinarea eficienţei economice trebuie determinate, pentru fiecare din variantele studiate, atât cheltuielile de investiţii cât şi cheltuielile anuale pe care le implică.

Investiţiile în fiecare an i şi pentru fiecare variantă j, trebuie să cuprindă, după caz, atât investiţiile pentru reţea, cât şi investiţiile pentru instalaţiile de compensare:

I_ji = I_Rji + I_Cji

în care: I_ji este investiţia totală în anul i, varianta j;

I_Rji – investiţia pentru reţeaua electrică;

I_Cji – investiţia pentru instalaţia de compensare.

Cheltuielile anuale din fiecare an i şi fiecare variantă j trebuie să cuprindă atât cheltuielile pentru reţea şi pentru exploatarea instalaţiei de compensare, cât şi cheltuielile pentru pierderile de energie activă şi reactivă:

C_ji = c_RI_ji + c_CI_cji + γP_ji + α_aE_aji + α_rE_rji,

în care: C_ji sunt cheltuielile anuale totale în anul i, pentru varianta j;

c_R, c_C – cheltuielile anuale relative pentru reţeaua electrică existentă, respectiv pentru instalaţiile de compensare de care dispune în anul i, în cadrul fiecărei variante;

γ – preţul puterii active la consumator, în lei/kW;

α_a, α_r – preţul energiei active, respectiv al energiei reactive, în lei/kWh şi lei/kVAr*h;

E_aji, E_rji – energia activă, respectiv reactivă, cumpărată de la furnizorul de energie electrică în anul i, pentru fiecare variantă analizată.

Se menţionează că puterile P_ji includ pentru fiecare variantă atât reducerea pierderilor active datorită compensării cât şi pierderile în mijloacele de compensare; de asemenea, energia activă E_aji şi energia reactivă E_rji suplimentară, pentru fiecare variantă apare numai în varianta fără compensare sau în alte variante, dacă compensarea considerată nu ridică factorul de putere la punctul de vânzare al energiei, cel puţin la valoarea corespunzătoare a factorului de putere neutral (cos φ = 0,92).

Valoarea reziduală V_ji se referă la instalaţiile care, prin introducerea compensării, devin disponibile, putând fi demontate şi utilizate în altă parte (cum ar fi de exemplu, unele transformatoare), valorificate prin recondiţionare sau prin unităţile de valorificarea deşeurilor.

Sunt însă o parte din reţelele de distribuţie şi din transformatoarele din staţii şi posturi, care prin introducerea compensării se descarcă într-o măsură mai mică sau mai mare, fără a deveni total disponibile, iar rezerva de capacitate care a apărut datorită compensării nu poate fi în toate cazurile imediat utilizată.

Numărul acestora este mai mare în cazul compensării individuale şi pe grup, şi mai mic în cazul compensării centralizate. În aceste cazuri este necesar, pentru o tratare completă şi echitabilă a fiecărei variante să se considere în calculele economice prin anumite valori (procente din costurile instalaţiilor descărcate) descărcarea parţială a unor instalaţii, care pot fi folosite în cazul creşterii consumului, fără să se mai facă investiţii suplimentare.

Utilizând metoda cheltuielilor de calcul actualizate se poate stabili, prin compararea variantelor de compensare examinate, eşalonate pe un număr n de ani, care este cea mai indicată să fie realizată din punct de vedere tehnico-economic.

Aplicabilitatea acestei metode priveşte în primul rând întreprinderile pentru care acţiunea de compensare a puterii reactive necesită o perioadă de mai mulţi ani.

În cazul întreprinderilor mai mici, având fie numai reţea de distribuţie de joasă tensiune sau joasă şi medie tensiune, problema îmbunătăţiri factorului de putere se poate rezolva mai simplu şi într-o perioadă de timp mai scurtă, în general, într-un an.

În aceste situaţii, se poate simplifica şi metoda de calcul, utilizând pentru compararea diferitelor variante indicatorul cheltuieli anuale de calcul, exprimat pentru varianta j prin relaţia

Z_cj = C + pI,

în care: Z_cj sunt cheltuielile de calcul în varianta j;

C – cheltuielile anuale cuprinzând amortizări, pierderi de putere şi energie;

I – investiţiile totale pentru instalaţia de compensare şi alte lucrări auxiliare;

p – coeficientul de eficienţă economică, ţinând seama de termenul normat de recuperare considerat 10 ani (p = 1/10).

Cheltuielile de calcul se stabilesc pentru fiecare variantă de compensare, adoptându-se varianta cu cele mai mici cheltuieli de calcul.

Alegerea variantei optime de compensare

Pentru alegerea variantei optime de compensare, pentru fiecare variantă examinată se calculează unul din indicatorii: costul de revenire al energiei electrice reactive produsă prin compensare, sau numărul de ani – sau timpul – de recuperare a investiţiilor făcute.

Costul de revenire c_Q al energiei reactive pe kVAr*h produsă prin compensare trebuie să fie mai mic decât costul specific al aceleiaşi energii plătit întreprinderii furnizoare dacă nu se face compensarea.

Cheltuielile anuale care intră în componenţa costului de revenire se compun din:

Ø cheltuieli anuale C_r aferente instalaţiei de compensare, calculate ca o cotă procentuală c_c din valoarea de investiţii I_c a instalaţiei respective:

C_I = c_c

Ø cheltuieli anuale aferente pierderilor de putere C_ΔPc şi de energie C_ΔEc în instalaţiile de compensare, calculate în funcţie de pierderile specifice p_c şi de durata de utilizare T_c a instalaţiei de compensare (pentru condensatoare derivaţie p_c = 1-5 kW/MVAr, în funcţie de tipul de condensator):

C_ΔPc = γ * p_c * Q_c,

C_ΔEc = α * p_c * Q_c * T_c,

în care: γ este preţul specific pentru putere, conform tarifului, în lei/kW;

α – preţul specific pentru energia activă, în lei/kW;

Q_c – puterea la vârf a instalaţiei de compensare, în MVAr.

În cazul compensărilor realizate cu mai multe baterii comutabile, a bateriilor de condensatoare fracţionate sau când bateriile sunt instalate în mai multe puncte în reţea, cheltuielile anuale corespunzătoare pierderilor de energie în condensatoare, se calculează cu expresia:

C_ΔEc = α * p_c

în care: Q_ci este puterea unei trepte de baterie i;

T_ci – durata de utilizare a treptei i.

Ø reducerea cheltuielilor de exploatare pentru reţea, corespunzător reducerii investiţiilor actualizate prin amânări de lucrări de reţea datorită compensării (), dacă este cazul.

Suma acestor cheltuieli anuale se raportează la energia anuală produsă de bateriile de condensatoare . Dintre mai multe variante posibile se va alege varianta pentru care indicatorul c_Q este minim.

Pentru fiecare variantă de compensare costul de revenire c_Q se determină cu relaţia:

c_Q =

În cazul când c_Q este mai redus decât preţul plătit furnizorului pentru energia reactivă, compensarea la nivelul examinat, respectiv cel neutral, este oportună; în caz contrar este indicat să se revadă puterea corespunzătoare a bateriei până la respectarea condiţiei menţionate.

În ceea ce priveşte numărul de ani de recuperare a investiţiilor făcute, acesta se determină prin raportarea investiţiilor la economiile anuale realizate prin compensare:

n = (5.12)

în care: I_total sunt investiţiile totale;

β – costul specific al instalării unui kW în centrala de echivalare pentru acoperirea pierderilor;

γ – cota de amortizare pentru centralele electrice;

ΔP = ΔP_{max nec} – ΔP_{max c} + ΔP_c – economia de pierdere de putere, respectiv diferenţa dintre pierderile de putere maximă fără compensare şi cele cu compensare, adăugând pierderile de putere activă în bateriile de condensatoare;

ΔE_a = ΔE_{a nec} – ΔE_{a c} + ΔE_c – economia de pierderi de energie, reprezentând diferenţa dintre pierderile de energie fără compensare şi cele cu compensare, plus pierderile de energie în bateriile de condensatoare.

În cazul în care se respectă relaţia (5.12), adică amortizarea investiţiilor pentru realizarea instalaţiilor de compensare până la factorul de putere neutral se face în maximum 5 ani, este avantajos să se adopte soluţia respectivă. Dacă termenul de amortizare depăşeşte 5 ani, ceea ce rezultă în cazul când economiile de pierderi de putere şi energie sunt mici, este indicat să se reducă puterea bateriilor în condensatoare, adică factorul de putere să nu fie ridicat până la valoarea neutrală. Reducerea puterii bateriilor se face până la valoarea pentru care amortizarea investiţiilor se face în mai puţin de 5 ani.