اصلاح ضریب توان در خازن ها

برای پرداختن به مباحث  اصلاح ضریب توان ابتدا باید به بیان مطالب و تعاریف پایه ای در ارتباط با توان بپردازیم. اساسا سه نوع توان برای تجهیزات برقی قابل تعریف است.

1- توان اکتیو

2- توان راکتیو

3- توان ظاهری

توان اکتیو در واقع همان توانی است که برای ما کار انجام می دهد و به سایر انواع انرژی مثل نور، حرارت، کار مکانیکی و... تبدیل می شود و واحد آن وات (W) است. توان راکتیو توانی است که برای ما کاری انجام نمی دهد و تنها بین تولید کننده و مصرف کننده به طور مداوم در حال مبادله (رفت و برگشت) است که برای عملکرد صحیح تجهیزات مختلف و واحد آن وار (Var) است. توان ظاهری در واقع جمع برداری توان اکتیو و راکتیو است و واحد آن ولت آمپر (V.A) است.

کنتورهای قدیمی (الکترومگنتیک) این توان ظاهری را اندازه گیری میکنند و کنتورهای دیجیتال توان اکتیو و راکتیو مصرفی توسط مشترک را به طور تفکیک شده ثبت می کنند و مشترک هزینه بیشتری را برای توان راکتیو مصرفی خود در مقایسه توان اکتیو مصرفی پرداخت می کند.

با توجه به مطالب مطرح شده در بالا و با عنایت به این مطلب که هزینه حامل های انرژی بعد از حذف یارانه ها به شدت افزایش یافته، توجه به مباحث توان راکتیو و تامین توان راکتیو مورد نیاز توسط خود مشترک و مباحث اصلاح ضریب توان و جبران سازی از اهمیت ویژه ای برخوردار شده است. تصحیح ضریب توان از سرمایه گذاری های بسیار ارزشمند در زمینه تاسیسات برقی به حساب می آید و در طول مدت 1.5 تا 2.5 سال بازگشت سرمایه داشته و بعد از آن وارد دوران سود دهی می شود.

لذا طراحی کاملا اصولی و فنی بانک خازنی و استفاده از خازن های با کیفیت بالا و رگولاتور مناسب برای کارکرد دراز مدت این سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است که باید طراح با اشراف کامل بر این مباحث بهترین سیستم را طراح و پیاده سازی کند.

شرح سیستم اصلاح ضریب قدرت:

چرا جبران سازی؟

توان راکتیوی که بین ژنراتور و مصرف کننده در حال نوسان است در شبکه به گرما مبدل می شود. مولدها، ترانس ها، کابل ها و سیم­ کشی ها و کلیدها نیز بر اثر آن تحت اضافه بار قرار گرفته که تلفات و افت ولتاژ را به همراه دارند.

در صورت زیاد بودن مقدار توان اکتیو مصرفی ممکن است کابل ها و سیمها، توان انتقال جریان برق را نداشته باشند و لازم باشد که کابل ها و سیم ­های دارای مقاطع بزرگتری به کار گرفته شوند که این مسئله علاوه پرداخت هزینه اضافی برای خریداری سیم و کابل با مقطع بالاتر، مسائل مربوط به افزایش ابعاد داکت تاسیسات برقی و وزن تاسیسات برقی که در دید کلی از اهمیت بالایی برخوردار است.

چرا خازن؟

اغلب دستگاه ها و مصرف کنندگان الکتریکی برای انجام کار مفید نیازمند مقداری توان راکتیو برای مهیا کردن شرایط لازم برای انجام کار می باشند به عنوان مثال موتورهای الکتریکی AC برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی، نیازمند تولید شار مغناطیسی در فاصله هوایی موتور هستند. ایجاد شار تنها توسط توان راکتیو امکان پذیر و با افزایش بار مکانیکی موتور مقدار توان راکتیو بیشتری مصرف می گردد. عمدۀ مصرف کنندگان انرژی راکتیو عبارتند از:

 1) سیستمهای الکترونیک قدرت

 الف) مبدلهای (Rectifiers) AC/DC

 ب) مبدلهای DC/AC (Inverters)

 ج) مبدلهای AC/AC (Converters)    

 د) چاپرها (Choppers)                                  

 2) مصرف کنندگان یا تجهیزاتی که دارای مشخصه غیر خطی هستند.

 3) مصرف کنندگانی که در شکل موج ولتاژ محل تغذیه خود اعوجاج (هارمونیک) ایجاد می نمایند.

 4) متعادل سازهای بارهای نامتعادل

5) تثبیت کننده های ولتاژ

 6) کوره های القایی

 7) کوره های قوس الکتریکی

 8) سیستمهای جوش کاری DC ، AC

 همانگونه که ذکر شد مصرف انرژی راکتیو اجتناب ناپذیر است.

 انتقال انرژی راکتیو، انتقال جریان الکتریکی است و انتقالش نیازمند به کابل با سطح مقطع بزرگتر، دکل های فشار قوی مقاوم تر و در نتیجه هزینه های مازاد است. همچنین افزایش تلفات الکتریکی و کاهش راندمان شبکه را نیز به همراه دارد. در مواردی مانند کاربردهای الکترونیک قدرت و متعادل سازی بارهای نامتعادل حتی انتقال انرژی راکتیو هم کارساز نبوده و باید انرژی در محل تولید گردد.

خازن اصطلاحاً تولید کنندۀ انرژی راکتیو است، اما خازن توان راکتیو تولید نکرده بلکه مصرف کنندۀ آن نیز می باشد. فقط در زمانی که القاگر انرژی راکتیو در خود ذخیره می نماید (از شبکه میکشد) خازن، انرژی ذخیره شدۀ خود را به شبکه تحویل می دهد و در زمانی که القاگر انرژی ذخیره شده اش را به شبکه پس می دهد خازن از شبکه انرژی میکشد. حال اگر القاگر و خازن در کنار هم قرار گیرند، هنگامی که خازن انرژی میدهد القاگر آن انرژی را میگیرد و زمانی که خازن انرژی می گیرد القاگر انرژی میدهد که موجب تعادل انرژی بین القاگر و خازن گشته،تبادل انرژی بین مصرف کننده و شبکه صورت نمی گیرد.

تثبیت ولتاژ:

 مورد استفادۀ دیگر خازن (انرژی راکتیو) تثبیت ولتاژ محل تغذیه بار است. افزایش بار به معنی افزایش دامنه جریان کشیده شده از شبکه و ازدیاد افت ولتاژ در محل تغذیه است. برای کاهش افت ولتاژ سه راه حل وجود دارد:

1-تقویت شبکه:

تقویت شبکه به معنای کاهش امپدانس معادل شبکه در محل تغذیه میباشد. انجام این مهم با افزایش ولتاژ شبکه و یا تغذیه چند سویه بار امکان پذیر است که برای اکثر مصرف کنندگان این کار امکان پذیر نیست.

2-کاهش بار:

 افت ولتاژ بیش از حد مجاز را با تقلیل دادن بار و یا تنظیم توالی زمانی بهره برداری دستگاه ها می توان جبران نمود.

3-استفاده از خازن:

با تزریق کردن Q وار توان راکتیو به شبکه در محل مصرف ولتاژ از U 1 به U 2 افزایش می یابد، با استفاده از این ویژگی می توان به تثبیت ولتاژ پرداخت. ذکر این مساله بسیار حائز اهمیت است که تثبیت ولتاژ و تنظیم ضریب توان، به صورت همزمان امکانپذیر نیست.

 اثر نحوۀ اتصال بر مشخصات مجموعه:

توان راکتیو خازن و مقدار مؤثر جریانی که هنگام اتصال خازن به شبکه، از شبکه به سمت خازن جاری میگردد به نحوه اتصال خازن و ولتاژ محل نصب و ظرفیت خازن به شبکه بستگی دارد.

از جمله مشخصات خازن ولتاژ نامی، جریان نامی، و توان راکتیو خازن است، طبق استاندارد می باشد. بر اساس استاندارد ولتاژی است که خازن آن را به طور دائمی و بدون صدمه دیدن تحمل می کند. 

· ولتاژ نامی Un: بر اساس استاندارد جریانی است باشد که خازن در ولتاژ و فرکانس نامی از شبکه می کشد.

· جریان نامی In: میزان توان راکتیو خارن، در ولتاژ و فرکانس نامی است.

· توان راکتیو نامی Qn: تمامی خازنها به صورت تک فاز ساخته می شوند. در ولتاژهای پایین خازن ها سه فاز و به صورت مثلث به هم متصل میشوند.

 در ولتاژهای بالا به دلیل مشکلات ایزولاسیون، و در ظرفیت های زیاد به دلیل مشکلات انـتقال حرارت و خنک سازی خازن، خازن ها به صورت تکفاز ساخته می شوند. اتصال خازن های تکفاز به دو صورت اتصالات ستاره و یا مثلث امکان پذیر است و بــسته به نوع اتصال، جریــان های متفاوتی از شبکه می کشند.

 به عنوان مثال می توان سه خازن 10 کیلووار، 400 ولت را به صورت ستاره به هم متصل کرد و یا سه خازن 10کیلووار، 400 ولت را به صورت مثلث به هم وصل کرد. در این دو حالت اخیر هر دو بانک توان راکتیو یکسانی را به شبکه تحویل داده، جریان یکسانی از شبکه می کشند ولی جریان عبوری از هر خازن در دو حالت برابر نیست. با ذکر مثالی به بررسی اثر نحوه اتصال خازن های تک فاز، در مقدار قدرت راکتیو بانک خازنی حاصل می پردازیم:

سه عدد خازن تک فاز 10 کیلووار، 400 ولت یک بار به صورت مثلت و یک بار به صورت ستاره به شبکه متصل میشوند.

 فرکانس شبکه = 50 هرتز                              ولتاژ شبکه = 400 ولت

جریان نامی خازن = 25 آمپر                          توان راکتیو نامی خازن = 10 کیلو

 

 

 ضریب توان:

 ضریب توان، معیار برای سنجش میزان توان راکتیو مورد نیاز دستگاه مصرف کنندۀ برق، برای انجام تبدیل انرژی میباشد، ضریب توان براساس تعریف نسبت توان اکتیو مورد نیاز به کل توان الکتریکی تعریف می گردد و همیشه بین  1- و 1 تغییر  می کند از 1+ الی 0 برای بارهای القایی و از 0 الی 1- برای بارهای خازنی میباشد.

 با اتصال خازن به بار، ضریب قدرت کل مجموعه مصرف کننده و خازن تغییر می کند چرا که بخشی از انرژی راکتیو مورد نیاز مصرف کننده را خازن تأمین میکند و تنها باید جزء باقیمانده را از شبکه دریافت کند.

مکانیسم عملکرد خازن:

در یک مصرف کنندۀ الکتریکی پس فاز با زاویه فاز جریانی که از شبکه کشیده میشود شامل دو جزء اکتیو Ip و راکتیو Iq است اگر خازنی به دو سر مصرف کننده متصل نماییم خازن جریان راکتیوی برابر IC از شبکه میکشد که در خلاف جهت جریان راکتیو بار است. لذا جریان راکتیوی که توسط مجموعه مصرف کننده و خازن از شبکه کشیده می شود به اندازۀ IC کاهش می یابد و به مقدار  IQ − IC) میرسد.

با اتصال خازن به بار، ضریب قدرت کل مجموعه مصرف کننده و خازن تغییر می کند چرا که بخشی از انرژی راکتیو مورد نیاز مصرف کننده را خازن تأمین میکند و تنها باید جزء باقیمانده را از شبکه دریافت کند.

از انجايي كه طراحي اين تابلوها و مبحث اصلاح ضريب توان و مطالب و موضوعات مرتبط بسيار زياد است در اينده به اين مبحث بيشتر خواهيم پرداخت.دوستاني هم كه در اين مورد به مطالب بيشتر و موضوعات ديگري در اين زمينه نياز دارند در بخش نظرات اين پست عنوان كنند.

مزایای خازن­گذاری

استفاده اقتصادی از:

·        ترانسها

·        سیم­ها و کابلها

·        کلیدها

کاهش تلفات و افت ولتاژ: در نتیجه مخارج کم انرژی برای خازن­ گذاری سه گزینه می­تواند به شرح ذیل مدنظر باشد:

جبران ­سازی انفرادی

در ساده­ ترین فرم، یک خازن با مقدار مناسب، موازی هر مصرف کننده سلفی نصب می­شود. بدین وسیله به صورت چشمگیری از بار سیم­ها و کابلها کم می­شود. باید دقت کرد که خازن فقط در محدودۀ زمانی فعالیت دستگاه ها مورد استفاده واقع شود. در ضمن نصب خازن برای جبران ­سازی انفرادی دستگاه ها ساده نیست (از قبیل مسایلی چون مکان و یا مخازن مونتاژ و نصب آن)

کاربرد جبران­ سازی انفرادی

·        جهت جبران­ سازی توان راکتیوی باری ترانسفورماتورها

·        برای موتورهای دائم کار

·        برای موتورهای کم بار یا با کابل طولانی

مزایا جبران­ سازی انفرادی

·        شبکه داخلی کاملاً از جریان راکتیو پاک می­شود

·        مخارج کمتر برحسب

معایب جبران­ سازی انفرادی

·        جبران­ سازی در تمام سیستم پخش شده است.

·        نصب پیچیده

·        به طور کلی به خازن بیشتری نیاز است زیرا توجهی به ضریب هم­زمانی نمی­شود.

جبران­ سازی گروهی:

دستگاههایی که به صورت گروهی نصب شده­ اند، به صورت جمعی جبران ­سازی می­شوند به جای خازنهای مختلف کوچک یک خازن مناسب بزرگ نصب می­شود.

کاربرد جبران­ سازی گروهی:

·        برای مصارف سنگین سلفی در صورتی که با هم به کار گرفته شوند.

مزایای جبران­ سازی گروهی:

·        نصب ساده در اغلب اوقات

·        مصرف کمتر خازن چون ضریب هم زمانی در نظر گرفته می شود.

·        در صورت وجود هارمونیک در شبکه، دارای مخارج مناسب تری است زیرا خازنها آسانتر به سلف مجهز می شوند.

معایب جبران ­سازی مرکزی:

·        بار داخلی شبکه کم نمی­شود.

·        مخارج اضافی برای تنظیم اتوماتیک سیستم