بانک خازنی و انواع آن

در این مقاله به صورت مفهومی و پایه به انواع بانک خازنی خواهیم پرداخت. پس با ما همراه باشید. در ابتدا باید بدانیم که یک مدار با بار مقاومتی دارای شکل موج جریان و ولتاژ هم فاز است، اما در مداری با بار راکتیو (خازنی یا سلفی)، سلف و خازن توان مصرف نمی کنند اما ظرفیت شبکه را اشغال می کنند، چون جریان می کشند. خازن جریان پیش فاز می کشد یعنی جریان پس فاز (برای سلف) تولید       می کند. سلف جریان پس فاز را مصرف می کند. در شکل موج بار خازنی جریان نسبت به ولتاژ پیش فاز است. در سیستم های الکتریکی که ترکیبی از بارهای مقاومتی و راکتیو هستند، ترکیب مؤلفه های توان اکتیو و راکتیو به عنوان توان کل یا توان ظاهری معرفی می شود و با کیلو ولت آمپر (KVA) نشان داده می شود.

زمانیکه بار یا مصرف کننده به یک خط متصل می شود، بار بر اساس نوع مشخصه جریانی خود، توانی از شبکه را دریافت می کند. این مقدار جریان با ضریبی از سطح ولتاژی که مصرف کننده به شبکه متصل شده است، توان الکتریکی ظاهری نامیده می شود.

ترکیبی از توان اکتیو تغذیه شده توسط منبع (به عنوان مثال توان مکانیکی یا گرما) و توان راکتیو جهت تولید میدان مغناطیسی که برای نوع مشخص و خاصی از مصرف کننده ها نیاز است، توان ظاهری را تشکیل می دهد. ارتباط بین توان ظاهری با توان اکتیو با ضریب توان (PF) نمایش داده می شود.

مقدار ضریب توان در محدوده ۰ تا ۱ بوده و مقدار مطلوب آن ۱ می باشد. هر مقدار کمتر از ضریب توان ۱ (ضریب توان واحد)، به این معنی است که به توان بیشتری برای انجام یک کار خاص نیاز داریم. در جدول (1)، مقدار تقریبی ضریب توان برای برخی از بارهای رایج نشان داده شده است.

جدول (1): مقدار تقریبی ضریب توان برای برخی از بارهای رایج

نوع بار	ضریب توان
لامپ رشته ای	1
لامپ فلورسنت	0/6 – 0/5
لامپ بخار جیوه	0/5
لامپ بخار سدیم	0/6 – 0/5
موتور القایی (بدون بار – بار کامل)	0/15 – 0/85
دستگاه جوش مقاومتی	0/6
دستگاه جوش قوس الکتریکی	0/5
کوره القایی	0/8 – 0/6
کوره قوس الکتریکی	0/8 – 0/7
کوره مقاومتی	1

 

اثرات نامطلوب ضریب توان پایین

در توان ثابت با کم شدن ضریب توان، توان رأکتیور افزایش می یابد و در نتیجه مقدار مؤثر جریان شبکه افزایش می یابد. با افزایش جریان، سطح مقطع کابل و سیم ها افزایش و درنتیجه قیمت تجهیزات (تجهیزات مربوط به انتقال و توزیع نیروی برق، کلید، فیوز و …) زیاد می شود. همچنین با کاهش ضریب توان، توان تولیدی ژنراتورها کمتر شده و راندمان مولدها، ترانسفورماتورها و در نهایت ضریب بهره کل سیستم کاهش می یابد.

بطور خلاصه ضریب توان پایین باعث بروز مشکلات ذیل در شبکه برق می شود.

• افزایش تلفات در خطوط انتقال، توزیع و تجهیزات شبکه از جمله ترانسفورماتورها
• اشغال ظرفیت شبکه (هادی ها و تجهیزات)
• افت ولتاژ در شبکه

اگرچه توان راکتیو مورد نیاز بارهای القایی کار مفیدی انجام نمی دهند اما مجبور به تولید، انتقال و توزیع آن در شبکه الکتریکی هستیم. این واقعیت سبب بزرگ شدن اندازه ترانسفورماتورها، ژنراتورها و افزایش خط های شبکه انتقال شده و به طبع آن باعث افزایش تلفات و افت ولتاژ شدید در خطوط می شود. به همین دلیل، تولید کنندگان و مدیران شبکه الکتریکی با پرداخت جریمه برای مقدار توان راکتیو اضافی، جبران خسارت می کنند.

 

محاسبه ضریب توان مصرف کننده ها

برای بررسی و محاسبه ضریب توان مصرف کننده ها سه راهکار عملی وجود دارد که می توان از آن ها استفاده کرد. به همین منظور سه روش ذیل مطرح می گردد.

1- در ساده ترین روش، اگر از تجهیزاتی مانند الکتروموتورها استفاده می کنید، می توانید از پلاک درج شده بر روی الکتروموتورها برای بررسی ضریب توان آن ها استفاده کنید؛ زیرا ​عمدتاً مشخصات فنی و توان این مصرف کننده ها بر روی پلاک هایشان درج و بر روری آن نصب       می گردد.

2- می توان از اطلاعات درج شده بر روی قبوض برق استفاده کرد. با کمک یک متخصص برق می توانید قبض برق مصرفی خود را بررسی کرده و ضریب توان مصرف کننده های سیستم های خود را محاسبه کنید.

3- یک روش دقیق و اصولی در این زمینه، استفاده از دستگاه پاور آنالایزر می باشد که با استفاده از این دستگاه در یک مدت زمان مشخص، می توان به اطلاعات مفیدی همچون ضریب توان مصرف کننده ها پی برد و طراحی را بر اساس آن شروع نمود.

 

خازن گذاری جهت بهبود ضریب توان:

اتصال خازن ها به شبکه الکتریکی جبران سازی یا بهبود ضریب توان نامیده می شود. این کار اقتصادی ترین، ساده ترین و ایمن ترین روش برای جبران توان راکتیو است. خازن های الکتریکی در نزدیکی بار القایی نصب می شوند و بار راکتیو مصرفی مورد نیاز را تولید می نمایند. اصلاح و افزایش ضریب قدرت برای مصرف کننده منفعت های زیر را دارد:

• حذف هزینه و پول اضافی برای توان راکتیو
• کاهش تلفات توان اکتیو در کابل ها
• دسترسی بیشتر به توان در ثانویه ترانسفورماتور
• کاهش افت ولتاژ خطوط

حذف مقدار پولی که بابت هزینه توان راکتیو در قبض برق پرداخت می شود، ذخیره شده و این مبلغ مازاد برای هزینه نصب خازن ها در بازه زمانی چند ماه برگشت داده می شود.

با ورود خازن به مدار، مقدار زاویه کاهش می یابد و در نتیجه مقدار ضریب توان (COSp ) افزایش می یابد.

 

 

محاسبه ظرفیت خازن:                                               

جهت محاسبه ظرفیت خازن مورد نیاز از رابطه ذیل استفاده می شود.

در رابطه فوق P توان مصرفی (بر حسب KW)، ضریب توان فعلی (اندازه گری شده) و  ضریب توان هدف (مثلاً 95/0) می باشد. Q_C ظرفیت خازن مورد نیاز بر حسب KVar می باشد.

خازن ها بر خلاف دیگر تجهیزات برقی همیشه تحت اضافه بار است. طبق استاندارد IEC 60831-1 و IEC 60931 خازن ها باید قابلیت کار در حالت پایدار با 30% اضافه جریان نسبت به مقدار نامی (I_cn) را داشته باشند. از طرفی میزان تلورانس در ظرفیت (Q_C) در خازن های کوچکتر از 100 کیلووار تا 10% و در خازن های بزرگتر از 100 کیلووار تا 5% مورد قبول است. در چنین شرایطی میزان حداکثر جریان خازن (I_Cmax) به صورت ذیل محاسبه می شود.

به عنوان مثال برای انتخاب کنتاکتور و فیوز برای یک پله خازن 5/12 کیلووار به صورت زیر عمل می شود.

در نتیجه کنتاکتور و سیم و فیوز مناسب اولین رنجی است که جریان نامی آن برابر یا بیشتر از 8/25 باشد.

انواع روش های جبران سازی با بانک خازنی:

1- جبران سازی اختصاصی:

اعمال این نوع جبران سازی برای موتور، ترانسفورماتور و به طورکلی مصرف کننده، برای بازه زمانی طولانی است. خازن ها به طور مستقیم و موازی به ترمینال مصرف کننده ها متصل می شوند (شکل 1).

مزایا:

• ادوات و تجهیزات با اتصال و قطع خازن ها محافظت می شوند.
• جریان انتقالی بین خطوط کاهش می یابد و سبب استفاده از کابل ها و سوئیچ گیرهای سایز پایین تر شده و باعث آزاد سازی توان بیشتر می شود.

معایب:

• گران بودن سیستم، زمانی که مصرف کننده به طور تمام وقت کار نمی کند، تعدادی از خازن ها مورد استفاده قرار نمی گیرند.

در این روش برای جلوگیری از خطر خود القایی لازم است که توان خازن تا 90% توان راکتیو بی باری موتور باشد.

 

در رابطه فوق، Q_C ظرفیت خازنی (Var)، V ولتاژ فاز (ولت) و I جریان بی باری موتور (آمپر) می باشد. توصیه های لازم برای جبران سازی موتورها در جدول (2) و برای ترانسفورماتورها در جدول (3) آنشان داده شده است.

جدول (2): مقادیر تقریبی توان رأکتیور (خازنی) مورد نیاز برای موتورها

 

جدول (3): مقادیر تقریبی توان رأکتیور (خازنی) مورد نیاز برای ترانسفورماتورها

 

2- جبران سازی متمرکز:

زمانیکه تعداد زیادی بار القایی وجود دارد، جبران سازی اختصاصی یک تجهیز غیر اقتصادی است. در این موارد جبران سازی متمرکز به معنی

جبران سازی با خازن ها به صورت تنظیم اتوماتیک، راه حلی بسیار ساده و اقتصادی است (شکل 2).

تمام توان راکتیو، به تعدادی پله خازنی که به طور مستقل می تواند عمل جبران سازی را انجام دهد تقسیم می شود. یک کنترل کننده توان راکتیو به طور دائم مقدار خازنی که باید برای جبران سازی متصل و یا خارج شود را اندازه گیری و محاسبه می کند تا به یک ضریب قدرت از پیش تعیین شده برسد.

مزایا:

• مجموع توان خازن ها در این حالت کمتر از حالت جبران سازی اختصاصی می باشد.
• هزینه های نصب کاهش می یابد.

3- جبران سازی ترکیبی:

معمولاً در جایی که ترانسفورماتور به صورت اختصاصی وجود دارد و همچنین اندازه گیری توان در طرف فشار قوی انجام می شود، این نوع جبران سازی استفاده می گردد. زمانی که خازن به عنوان جبران ساز به طرف ثانویه ترانسفورماتور متصل می شود، توان راکتیو به خاطر خاصیت سلفی در طرف ثانویه ترانسفورماتور متصل به خازن، مصرف می شود. جدول (3) مقدار توان خازنی مورد نیاز را نشان می دهد. این نوع جبران سازی زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که بار ما بسیار مهم باشد. به عنوان مثال وقتی یک موتور با توان بالا داریم، جبران سازی اختصاصی برای موتور انجام می شود و جبران سازی متمرکز برای باقی ادوات موجود صورت می گیرد.

 

بانک خازنی

​بانک خازن (تابلو بانک خازنی) متشکل از چند خازن با توان های مختلف و یا برابر با یکدیگر ، ادوات حفاظتی و کنتاکتور می باشد که همگی در یک تابلو برق قرار می گیرند و توسط یک کنترلر هوشمند به نام رگلاتور کنترل می شوند .

ادوات و تجهیزات و قطعات مورد استفاده در تابلو برق بانک خازنی به شرح ذیل می باشد.

• خازن ها : برای اصلاح ضریب قدرت
• کنتاکتور : برای اتصال خازن ها در مدار و کنترل اتوماتیک
• فیوز ها : برای حفاظت در مقابل جریان اضافه و اتصال کوتاه(فیوز های حفاظت خازن باید حتما از نوع کندکار (ذوب شونده یا کلید های کمپکت) باشند
• کلید اصلی : برای حفاظت کل مدار قدرت بانک خازن
• رگلاتور : برای کنترل مدار فرمان کنتاکتور ها و یا وارد نمودن هوشمند خازن ها در مدار

مزایای استفاده از بانک خازنی:

• اصلاح ضریب توان که باعث کاهش تلفات وصرفه جوئی در مصرف می‌شود.
• جبران افت ولتاژ و تنظیم ولتاژ و ثابت نگه داشتن آن به منظور جلوگیری از خسارت به دستگاه‌ها.
• کاهش سطح مقطع سیم به دلیل کاهش مصرف توان راکتیو.
• کاهش هزینه برق مصرفی که یکی از مهمترین دلایل استفاده از بانک‌های خازنی می باشد.

 

نکات مهم در تهیه و نصب بانک خازنی:

• باید خازن ها دور ازمحلی که دارای گرد و خاک است نصب شوند .
• در بدنه تابلوی خازن ها فضای مناسب جهت خروج هوای داخل خازن ها به بیرون تعبیه شود.
• بدنه ی خازن ها قابل لمس باشند، در روی تابلوی خازن حتما کسینوس فی متر نصب شود .
• خازن ها در محلی نصب شوند که امکان لرزش در آنجا نباشد .
• خازن ها در محلی که امکان انفجار در آنجا باشد نصب نشود و درصورت اجبار از خازن ضد انفجار استفاده شود.
• خازن ها در محلی که رطوبت زیاد داشته باشد، نصب نشود.
• چنانچه دمای محل نصب بیش از حد معمول باشد باید از خازن های که درجه کارآنها بالا است، استفاده شود. همچنین از هواکش در تابلو جهت پایین آوردن دمای محیط استفاده شود.
• سعی شود از خازن های که توان مصرفی کمی دارند استفاده شود.

 

رگولاتور هوشمند بانک خازنی:

برای داشتن یک بانک خازنی متناسب با بار سلفی که در ساعات مختلف در یک واحد صنعتی در حال کار هستند، وجود یک کنترل کننده خودکار برای تنظیم مقدار خازن مورد نیاز جهت اصلاح ضریب قدرت در هر لحظه امری ضروری است. بدین منظور از رگولاتور خازنی هوشمند در بانک خازنی استفاده می شود.

رگولاتور هوشمند (خازنی) با نمونه برداری جریان ورودی (شکل موج ولتاژ، اختلاف زمانی و جریان) و سپس انجام محاسبات دقیق، ظرفیت خازنی مورد نیاز را بدست آورده و برنامه ریزی ورود و یا خروج خازن ها را در بانک خازنی مشخص می کند.

رگولاتور هوشمند نسبت به بار راکتیو مورد نیاز دستور قطع و وصل را به کنتاکتورها صادر می کند. (کنتاکتور هایی که به وسیله رگولاتور هوشمند کنترل می شوند وظیفه سوئیچ کردن خازن ها را بر عهده دارند). به صورتیکه ضریب توان در محدوده 9/0 تا 95/0 قرار گیرد. برای محافظت از هر پله خازن یک سری فیوز جداگانه قرار می گیرد. در نظر داشته باشید که ولتاژ رگولاتور مصرفی با ولتاژ شبکه باید یکسان باشد. همچنین برای نمونه گیری جریان باید یک ترانس جریان به رگولاتور متصل شود تا هم جریان خازن و هم جریان بار را اندازه گیری نماید.

رگولاتورهای استاندارد دارای 4 الی 12 پله می باشند. تعداد پله های موجود در رگولاتور نشان دهنده تعداد خازن ها برای اصلاح ضریب توان است. از مزیت اصلی این رگولاتورها می توان به عملکرد آزادانه آن اشاره نمود. مثلاً یک بانک خازنی 1150 کیلو وار با نسبت پله های 1:2:4:8:8 را در نظر بگیرید. این پله ها به ترتیب شامل خازن های 50:100:200:400:400 کیلو وار هستند. رگولاتور    می تواند این 5 پله خازن را در 23 حالت ممکن به مدار متصل می کند (50، 100، 150، 200، 250، 300، 350، 400، 450، 500، 550، 600، 650، 700، 750، 800، 850، 900، 950، 1000، 1050، 1100 و 1150). در این شرایط رگولاتور می تواند به صورت آزادنه هریک از خازن ها را بر اساس نیاز تأسیسات به مدار متصل کند. برای کلید زنی بهتر توصیه می شود کوچکترین خازن به پله اول متصل شود و نسبت پله ها از 12 برابر بیشتر نشود.

 

ویژگی های رگولاتور هوشمند در انواع بانک خازنی:

• در ابتدا وقتی رگولاتور وارد مدار می شود، به ترتیب هر پله (خازن) را قطع و وصل می کند تا ظرفیت خازن هر پله را تخمین بزند (بفهمد که در هر پله چند KVar خازن نصب شده است). سپس با توجه به ضریب توان شبکه و ضریب توان مطلوب، پله های مورد نیاز خازن را وارد و یا خارج می کند.
• مهمترین ویژگی رگولاتورهای خازنی، هوشمند بودن و شناسایی خودکار آن است. بدین ترتیب که بار بین پله های مختلف پخش شده و بر روی یک پله فشار وارد نمی شود. در واقع رگولاتور هوشمند، پله های یکسان را به صورت دوره ای قطع و وصل می کند تا مدت زمان کارکرد همه خازن ها تقریباً یکسان باشد. مثلاً اگر در پله 1 و 2 هرکدام یک خازن KVar 5/12 نصب شده باشد و نیازی نباشد همزمان هر 2 پله در مدار باشد، رگولاتورهمراره از پله 1، استفاده نمی کند و پله 2 در استراحت باشد. زمان کارکرد را بین پله ها تقسیم می کند. گاهی اوقات پله اول را و گاهی اوقات پله دوم را وارد مدار می کند. درنتیجه تمامی پله ها از نظر زمان کارکرد و تعداد قطع و وصل تقریباً با یکدیگر برابرند.

• رگولاتورهای خازنی دارای یک نمایشگر دیجیتال می باشند که امکان بازدید از میزان جریان، ولتاژ، مقدار بار راکتیو و ضریب توان را به کاربر می دهد. همچنین به علت داشتن وزن کم و ابعاد کوچک بر روی تابلو برق به آسانی نصب می شود. همچنین به راحتی قابل تنظیم می باشند.
• رگولاتورها همچنین یک وسیله حفاظتی برای بانک خازنی محسوب می شوند. به این صورت که رگولاتور، حفاظت‌های مختلف نظیر قطع جریان و ولتاژ صفر، آلارم و قطع اضافه جریان‌ هارمونیکی و … را انجام می دهد.
• اکثر رگولاتورهای خازنی دارای هشدارهای افزایش یا کاهش ولتاژ و جریان هستند. همچنین دارای اصلاح ضریب قدرت بیشتر و کمتر از حد تعیین شده با خروج و ورود کلیه پله ها به مدار می باشند.
• شناسایی پله های (خازن های) معیوب و اعلام خرابی توسط آلارم روی رگولاتور

نقشه اتصالات یک تابلو بانک خازنی:

در شکل زیر نقشه اتصالات یک تابلو بانک خازنی اتوماتیک نشان داده شده است. رگولاتور 6 خورجی دارد (رگولاتور 6 پله). در نتیجه می تواند به 6 خازن فرمان دهد. خروجی رگولاتور به بوبین کنتاکتور خازن وصل می شود (K1 تا K6).  بر روی یکی از فازها یک CT نصب می شود و خروجی CT به ورودی رگولاتور متصل می شود. همچنین رگولاتور به دو فاز ولتاژ متصل است (برای نمونه برداری از ولتاژ. در واقع روی یک فاز مثلاً R دستگاه CT نصب می شود و دو فاز دیگر S و T به روگولاتور متصل می شود). در نتیجه با داشتن جریان و ولتاژ و مقایسه آن ها با یکدیگر، زاویه بین آن ها و درنتیجه ضریب توان را محاسبه می کند و با توجه به ضریب توان مطلوب که برای آن تعریف شده است (مثلاً 95/0)، تعدادی خازن را وارد یا خارج از مدار می کند (به کنتاکتورها دستور قطع و یا وصل می دهد). همچنین خازن ها توسط فیوز به شبکه (خط اصلی کارگاه) متصل می شوند.

 

زمان وصل و قطع پله های خازنی:

• خازن ها قبل از وصل مجدد می بایست تا میزان 10% ولتاژ نامی خود تخلیه شده باشند. می بایست زمانی که یک پله خازنی از مدار جدا می شود، 60 ثانیه فرصت دهیم تا عمل دشارژ انجام شود و سپس آن پله خازنی مجدداً وارد مدار شود. در تنظیمات رگولاتور زمان تأخیر در وصل دارد که به صورت دستی مثلاً روی 60 ثانیه قرار می دهیم.
• زمانیکه توان راکتیو به مقدار مورد نظر رسید، می بایست پله خازن از مدار جدا شود، که بهتر است زمان جدا شدن را 30 ثانیه بعد از رسیدن به توان راکتیو مد نظر، قرار دهیم.

 

تنظیمات هارمونیک ولتاژ:

بعضی از رگولاتورها تنظیمات هارمونیک ندارد. بعضی فقط یک جدول پیش فرض دارند که فقط می بایست نوع هارمونیک را انتخاب کنیم (معمولاً هارمونیک های 5، 7، 9، 11 و 13 را دارد). در بعضی از رگولاتورهای هوشمند می توانیم نوع و درصد هارمونیک را مشخص نماییم.