Moc bierna opisuje pulsowanie energii w obwodach prądu przemiennego. Zjawisko to nie występuję w obwodach DC. Mimo, że skutki przesyłania mocy biernej są bardzo niekorzystne i powodują m.in. zmniejszenie przepustowości w liniach elektroenergetycznych, to praca niektórych odbiorników nie byłaby bez niej możliwa. Moc bierna wprawdzie nie jest zamieniana na ciepło czy pracę użyteczną, jednak jest niezbędna do wymuszenia ruchu obrotowego w przypadku silników indukcyjnych czy zjawiska indukcji w transformatorach.
Kara za pobór mocy biernej
Moc bierną można podzielić na pojemnościową i indukcyjną onegdaj nazywaną mocą bierną oddaną i pobraną. Wszyscy krajowi operatorzy zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 5 stycznia 2022 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną nakładają karę za nadmiarowe wprowadzanie mocy biernej pojemnościowej do sieci, niezależnie od współczynnika mocy oraz karę za ponad umowny pobór mocy indukcyjnej przy tgα=0,4, co w przybliżeniu odpowiada wartości współczynnika mocy 0,92.
Dlaczego odbiorcy karani są bardziej za moc pojemnościową względem indukcyjnej? Dzieje się tak dlatego, że moc bierna która pobierana z sieci jest naturalnie wytwarzana przez generator czy niedługie linie WN. Dodatkowo ze względów historycznych sieci skompensowane są w sposób, w którym nie spodziewano się tak dużej generacji mocy biernej pojemnościowej, zatem jest jej dużo więcej niż zakładano. Dodatkowo ten rodzaj mocy może powodować nadmierne miejscowe narastanie napięcia, co jest szczególnie niebezpieczne.
Podsumowując całą „definicję” moc bierna w obwodach prądu przemiennego jest niezbędna, jednak jej nadmierne przepływy niosą za sobą realne zagrożenia. Póki co odbiorcy indywidualni w taryfie G nie muszą się martwić karą za moc bierną.
Współczynnik PF (Power Factor)
W przypadku rozpatrywania odbiorników energii elektrycznej dla odbiorców rozliczanych z mocy biernej ważny będzie współczynnik mocy, tzw. power factor. Jest on ściśle związany z trójkątem mocy. Oczywiście taki trójkąt odnosi się do szczególnego przypadku z czysto sinusoidalnym przebiegiem, co rzecz jasna w życiu zdarza się bardzo rzadko.
Gdzie:
S – moc pozorna
P – moc czynna
Q – moc bierna
Widoczny na rysunku kąt φ to nic innego jak współczynnik mocy.
Analizując powyższy rysunek można się domyślić skąd wzięły się określenia związane z funkcjami trygonometrycznymi. Większość krajowych OSD opiera się o tangens kąta alfa, który związany jest ze współczynnikiem mocy, bardzo często błędnie określanym cosinusem fi. Jednakże zgodnie z nomenklaturą cosinus jest określony z góry dla pewnych warunków znamionowych oraz czysto sinusoidalnego przebiegu. Dlatego dla nas ważniejszy będzie współczynnik mocy, który jest określany dla warunków mierzonych, z angielskiego power factor.
Moc bierna a oświetlenie LED
Skupiając się na problematyce związanej z mocą bierną w instalacjach oświetleniowych, a zwłaszcza na zdobywających popularność oprawach LED, można powiedzieć, że przedział współczynnika mocy jest ogromny. Związane jest to z kiepskimi układami zasilania. Oczywiście oświetlenie tego typu jest „z natury” urządzaniem o charakterze pojemnościowym, to jednak niedopuszczalne powinny być takie oprawy, gdzie zdarza się, że na 100W mocy czynnej moc bierna wynosi 100var. Poniższy przykład przedstawia problem wymiany oświetlenia dla obiektu biurowo-magazynowego na tuby ledowe marki „noname”. Widoczny w kolorze czerwonym pik pobranej mocy czynnej przedstawia uruchomienie oświetlenia w części magazynowej, nagły „spadek” mocy biernej – na rysunku kolor niebieski to tak naprawdę moc bierna pojemnościowa, która poszybowała w dół ze względu na ujemny znak przepływu mocy.
Jest to bardzo skrajny przykład chyba najgorszych źródeł jakie obecnie można dostać na rynku, gdzie moc czynna nie przekracza 1 kW, natomiast moc bierna zmierza do ponad 2 kvar, co daje nam współczynnik mocy na poziomie 0,45. A przypominam: jego wartość nie powinna być poniżej 0,92. W przypadku wymiany oświetlenia dla odbiorców indywidualnych pewnie moc czynna spadłaby 3-krotnie, co nie zmienia faktu, że oświetlenie takie nadal powoduje wcześniej wymienione skutki związane np. z „zapychaniem” przewodów i kabli zasilających, choć nie jest to widoczne na rachunku jak ma to miejsce w rozliczeniu taryf przemysłowych. Być może zdarzało się wam wyzwolenie zabezpieczenia nadmiarowo-prądowego, gdzie teoretycznie przepływa mała moc? Być może właśnie płyną tam duże moce bierne, których nie zmierzymy najprostszym miernikiem.
Bardzo podobna sytuacja ma miejsce na powyższym przykładzie, tutaj po remoncie i wymianie części oświetlenia na LED rachunki także wzrosły pomimo zapewnień wykonawcy o dużych oszczędnościach. O ile w budynku na poprzedniej analizie udało się uratować rachunek samą wymianą oświetlenia na takie które ma określony współczynnik mocy, akurat użyte potem zostały oprawy Philips z serii Ledinaire. Tak w tym wypadku nie obyło się bez kompensacji, ponieważ oprawy zostały zabudowane w suficie podwieszanym i bez kolejnego remontu nie udało by się ich wymienić, to także UPSy generowały stałą ilość mocy biernej pojemnościowej.
Modernizacja oświetlenia na źródła LED mimo wszystko ma sens. Nie mniej jednak nie warto stosować najtańszych opraw, zwłaszcza w obiektach przemysłowych, biurowych itp. niejednokrotnie wymiana oświetlenia w budynkach użyteczności publicznej odbija się czkawką. Niestety w przypadku takich obiektów jedynym wyznacznikiem przetargu jest cena i bardzo rzadko przed przetargiem odbywają się jakieś konsultacje, które pozwoliłyby wyeliminować nieodpowiednie oferty. Kończy się to zazwyczaj wydaniem kolejnych pieniędzy na kompensację mocy biernej lub – jak w opisanym przypadku – ponowną wymianą oświetlenia.
Większość tańszych lamp nie posiada w ogóle określonego w specyfikacji współczynnika mocy. Na szczęście wszyscy lepsi producenci podają takie informacje, dla przykładu lampa typu HighBay produkcji Philips:
Współczynnik na poziomie 0,9 pozwoli na utrzymanie rachunków na sensowym poziomie. Dzięki dużemu spadkowi ilości pobieranej mocy czynnej (i braku kar za moc bierną) taka inwestycja na pewno się zwróci.
Kiepskie układy zasilające oprócz problemów z generowaniem mocy biernej niestety posiadają także wysoki poziom współczynnika zawartości harmonicznych (tzw. THD I odnoszący się do prądu lub THD U odnoszący się do napięcia). O ile w tym przypadku THD U utrzymuje się na w miarę sensowym poziomie tak współczynnik harmonicznych w prądzie jest wręcz dramatyczny. Tym bardziej na pewno odnosi się on do wyżej wymienionych tub ledowych, bo nakreślony jest dokładnie w tym samym okresie czasowym.
Porównanie różnych źródeł światła LED
Na potrzeby tego artykułu dokonałem analizy zasilania trzech źródeł oświetlenia wykonanych w technologii LED. Pierwszym była oprawa Philips z serii Ledinaire o mocy 30W. Kolejną była jedna z opraw najczęściej spotykanych na obiektach przemysłowych czy magazynowych zmodernizowanych w nieodpowiedni sposób. Jest to oprawa na 2 tuby ledowe i początkowo każda z tych tub miała być analizowana osobno, jednak okazało się, że ich współczynnik mocy i ilość mocy były praktycznie identyczne, więc obie trafiły do oprawy. Dzięki temu nawet moc czynna jest porównywalna do lampy ze stajni Philipsa. Ostatnim źródłem jest najtańsza lampa znaleziona na portalu aukcyjnym również o mocy 30W.
Mój test trwał 50 minut, wszystkie pomiary dodatkowo uśredniłem. Jak zapewne większość czytających się domyśla, w przypadku takich odbiorników nie było zbyt dużych zmian, mimo to wyniki są dość ciekawe.
Na pierwszy ogień powędrowała moc czynna pobierana przez lampy. Faza nr 1 to lampa Philips Ledinaire, faza nr 2 to tuby ledowe oraz faza nr 3 to najtańsza lampa z popularnego portalu aukcyjnego. Na poniższym wykresie widać, że lampa Philips pobiera mniej mocy czynnej niż zadeklarował producent. Podobnie jest w przypadku dwóch tub ledowych – można to wytłumaczyć niskim napięciem z sieci, które oscylowało około wartości 224V. Jednak ostatnia lampa, która deklaruje moc na poziomie 30W, w rzeczywistości pobiera 36W.
Nie inaczej było w przypadku pomiaru współczynnika mocy – dużych zmian podczas pomiaru oczywiście nie było. Wyniki:
- Philips Ledinaire: 0,97
- Tuby ledowe „noname”: 0,64
- Lampa z portalu aukcyjnego: 0,63
Wykres powyżej pokazuje to na czym zależy nam najbardziej, czyli ilość mocy biernej. We wszystkich przypadkach mamy do czynienia z mocą bierną pojemnościową. Dlaczego to tak ważne? Bo jak wcześniej wspominałem za moc bierną pojemnościową płacimy już od 1 var za moc bierną indukcyjną możemy się już zmieścić w widełkach zazwyczaj jest to tg kąta alfa na poziomie 0,4. Nie mniej jednak PF na poziomie 0,97 jest już świetnym wynikiem. Poniżej tabelka która zobrazuje koszty jakie poniesiemy w przypadku montażu kiepskich opraw. Najłatwiej będzie to przedstawić na np. 100 oprawach – w końcu karą za moc bierną obarczeni są przedsiębiorcy oraz samorządy.
Problemem jest też współczynnik zawartości harmonicznych prądu. O ile w przypadku Philipsa plasuje się on na poziomie 6% i tak jest naprawdę świetnie, tak tańsze źródła okropnie sieją. Współczynnik ten dla tub ledowych to nawet 107%, nieznacznie lepiej jest w przypadku oprawy z portalu aukcyjnego.
W przypadku harmonicznych tak naprawdę już od piątej rzędu czyli 250 Hz może dochodzić do efektu naskórkowości. Problemem też są nieparzyste np. trzecia oraz siódma, dla których całość prądu płynie tylko przewodem neutralnym. Jeśli chodzi o oprawę marki Philips już druga harmoniczna jest praktycznie wartości zerowej.
Jak widać koszty w przypadku większej ilości oświetlenia mogą nawet sięgać 3000 zł rocznie w przypadku dość prostych obliczeń i ceny na poziomie 0,75 zł za kWh. Tak naprawdę im więcej używamy oświetlenia i więcej znajduje się go w naszym przedsiębiorstwie tym rachunek bardziej działa na korzyść renomowanych źródeł światła.
Podsumowanie i wnioski
Można zauważyć, że problem mocy biernej nowoczesnych technik świetlnych typu LED jest nadal aktualny i nie można go pomijać. Nie dość, że generuje niepotrzebne koszty stałe, to tak naprawdę inwestycja w lepsze oprawy zaowocuje większą niezawodnością oraz łatwiejszym montażem. Początkowo miałem nie poruszać tej sprawy, ale warto zaznaczyć, że o ile montaż lampy Philipsa zajmuje dosłownie kilka chwil, tak z pozostałymi oprawami trzeba się niestety namęczyć. Większość opraw typu świetlówkowego dociera do nas na zasadzie „złóż to sam”, natomiast lampa z portalu jakoś dziwnie odspoiła folię, która miała być mleczną imitacją klosza.
Ale wracając do tematu: oprócz kwestii finansowych, tylko oprawa Ledinaire posiadała współczynnik zawartości harmonicznych na jakimś sensowym poziomie, przy tak dużej THD I jakie posiadają inne oprawy i przy ich dużej ilości mogą powodować problemy związane z nieprawidłowym działaniem prostowników, przetwornic częstotliwości, nadmiernym nagrzewaniem transformatorów czy niepoprawnym działaniem automatyki. Tak wysoka zawartość wyższych harmonicznych ma jednak największy wpływ na elementy typowej infrastruktury sieciowej – aby na takim obiekcie zbudować kompensację mocy biernej niezbędne będą dodatkowe filtry, co znów odbija się finansowo na kolejnej inwestycji, więc jeśli ktoś wnioskował z tego artykułu, że na zakładzie w którym dominują obciążenia indukcyjne w jakiś sposób będzie mógł je skompensować za pomocą kiepskich źródeł światła też jest niestety w błędzie.
