صفر تا صد آموزش بانک خازنی + نحوه سیمکشی خازنها
آشنایی با مفاهیم توان اکتیو و توان راکتیو
توان ظاهری مورد نیاز برای وسایل الکتریکی (نظیر موتورهای القایی، مدارهای روشنایی و رایانهها) از دو مؤلفهی «مؤثر» (اکتیو) و «غیرمؤثر» (راکتیو) تشکیل شده است. درک مفهوم توان غیرمؤثر برای تحلیل جریانهای خازنی بسیار حیاتی است.
مصرفکنندههای اهمی (مانند گرمکنهای برقی و هیترها) تنها به توان مؤثر نیاز دارند؛ اما برخی دیگر از بارها، مانند موتورهای القایی، برای عملکرد خود به هر دو نوع توان مؤثر و غیرمؤثر نیازمندند.
توان مؤثر (اکتیو)
توانی است که توسط مصرفکننده به کار مفید (مانند حرکت یا حرارت) تبدیل میشود. واحد اندازهگیری توان مؤثر (P)، وات (W) است.
توان راکتیو (غیرمؤثر)
توانی است که در بارهای القایی، شار مغناطیسی مورد نیاز برای کار دستگاه را تأمین میکند. واحد اندازهگیری توان غیرمؤثر (Q)، وار (VAR) است. گرچه توان غیرمؤثر بهطور مستقیم به کار مفید تبدیل نمیشود، اما محیط لازم برای تبدیل انرژی را فراهم میآورد.
تأمین توان غیرمؤثر از طریق شبکه برق امکانپذیر است؛ اما چنانچه مصرف این توان از حد مجاز تعیینشده توسط شبکه برق فراتر رود، هزینه آن در قبوض برق تحت عناوینی چون «ضریب بدی مصرف» (جریمه) لحاظ میشود.
با این حال، اگر این توان در محل مصرف و توسط خازن تأمین شود، میتوان با یک سرمایهگذاری مناسب، هزینه مربوط به توان غیرمؤثر را از قبوض برق حذف کرد. به این ترتیب، بهدلیل عدم نیاز به خرید توان راکتیو از شبکه، استفاده از خازن موجب سودآوری و کاهش هزینههای جاری مصرفکننده خواهد شد.
نقش خازن در تابلو بانک خازنی
خازنها با ذخیره کردن انرژی الکتریکی و شارژ و دشارژ مداوم در جریان متناوب، قابلیت تولید توان غیرمؤثر (راکتیو) را دارند. انواع خازنهای مورد استفاده برای تأمین توان غیرمؤثر، به دو دسته خشک و کاغذی تقسیم بندی میشود.
جدیدترین فناوری ساخت خازن، متعلق به خازنهای خشک تمام فیلم معدنی است. در این خازنها، حتی در صورت بروز هرگونه صدمه یا ترکیدگی بدنه، هیچ ماده شیمیایی مضری برای انسان یا محیطزیست نشت نخواهد کرد. این خازنها معمولاً بهصورت استوانهای ساخته میشوند.
آشنایی با تابلو بانک خازنی
تابلو بانک خازنی مجموعهای شامل تعدادی خازن، تجهیزات قطع و وصل و تجهیزات حفاظتی است که همگی درون یک تابلو نصب میشوند.
در برخی موارد، به دلیل تغییر تعداد وسایل الکتریکی و در نتیجه تغییر در میزان «توان غیرمؤثر» (راکتیو)، قطع و وصل شدن خازنها متناسب با نیاز مصرفکننده ضروری است. همچنین در واحدهای صنعتی بزرگ که به توان غیرمؤثر بالایی نیاز دارند، برای دستیابی به ظرفیتهای زیاد، چندین خازن بهصورت موازی در مدار قرار میگیرند.
اجزای داخلی تابلوی بانک خازنی
- کنتاکتورهای خازنی
- کلیدفیوزها
- خازنها
آشنایی با اجزای تابلو بانک خازنی
1. خازن
انتخاب خازن براساس ظرفیت پله مورد نیاز در سطح ولتاژ شبکه را نشان میدهد. به عنوان نمونه چنانچه یک بانک خازنی 100 کیلوواری از ترکیب 4 پله 25 کیلوواری در سطح ولتاژ 400 ولت مورد نیاز باشد، یک خازن 25 کیلوواری در سطح ولتاژ 400 ولت و یا دو عدد خازن 12/5 کیلوواری 400 ولتی میتواند برای هر پله استفاده شود.
اگر از دو خازن 12/5 کیلوواری براي يك پله استفاده شود. هنگام صدمه احتمالی یک خازن، نصف ظرفیت آن پله از دست خواهد رفت. درحالی که برای پله 25 کیلوواری تمام ظرفیت پله از دست خواهد رفت.
بهعلاوه به دلیل مساحت جانبی بیشتر دو خازن 12/5 کیلوواری به یک خازن 25 کیلوواری، تبادل حرارتی با محیط بیشتر خواهد بود که به افزایش طول عمر خازن و کاهش خطر صدمه دیدن خازن کمک زيادي خواهد کرد.
2. کنتاکتورهای خازنی
کنتاکتورهایی که برای قطع و وصل خازن، درون بانک خازنی استفاده میشود، کنتاکتور خازنی نامیده میشود. ظاهر این نوع کنتاکتورها نیز متفاوت با کنتاکتورهای دیگر است. این كنتاكتورها داراي تعدادی سیم به صورت پیچیده شده در قسمت بالا و پایین هستند. این سیمها در واقع مقاومت اهمي هستند.
با بررسی دقیق شمای داخلی کنتاکتور خازنی میتوان دید که قبل از بسته شدن کنتاکت اصلی کنتاکتور، کنتاکتهای کمکی بسته شده و خازن همراه با مقاومتهای محدودكننده جريان در قسمت بالایی و پاييني کنتاکتور وارد مدار شده و برقدار میشود و اندکی پس از آن، کنتاکتهای کمکی از محل خود حرکت کرده و باز شده و کنتاکت اصلی بسته میشود و خازن به طور کامل وارد مدار میشود.
3. تجهیزات حفاظتی
براي حفاظت از هر پله بانك خازن باید فیوز مناسب آن پله بین کنتاکتور و شبکه اصلی برق قرار بگیرد. كليد فیوزهایی که برای بانک خازنی استفاده میشود. باید از نوع تندکار باشد.
چنانچه در محل نصب بانک خازنی شبکه برق دارای ماكزيمم و مينيمم (پیکهای) مختلفی باشد، استفاده از فیوز کندکار میتواند گزینه و جایگزین مناسبی باشد. نکتە دیگر در انتخاب كليد فیوز، مقدار جریان آن است.
طبق استاندارد IEC 60831 خازن توانایی تحمل اضافه جریان دائمی تا 35 درصد را دارا میباشد. البته مقدار اضافه ولتاژ مجاز برای شبکه نیز ده درصد میباشد که این اضافه ولتاژ میتواند منجر به اضافه جریان شود. بنابراین با احتساب دو ضریب گفته شده
(1/485 = 1/1× 1/35) مقدار جریان فیوز حدوداً 1/5 برابر جریان خازن همان پله خواهد بود. البته برخی مقدار تلرانس ظرفیت خازن که طبق استاندارد IEC تا 10 درصد میباشد را نیز درنظر گرفته و ضریب 1/65 را برای جریان فیوز درنظر میگیرند.
4. رگولاتور
رگولاتور اصلاح ضریب توان یکی از تجهیزات جداناپذیر بانک خازنی میباشد که با اندازهگیری مقدار مصرف توان راکتیو مصرف کننده، دستور قطع و وصل کنتاکتورها را صادر مینماید. رگولاتورهای مختلفی از سوی شرکتهای مختلف برای استفاده در بانک های خازنی ارائه میشوند. اما قبل از انتخاب رگولاتور مناسب باید بدانیم تجهیز مناسب باید چه ویژگیهایی داشته باشد.
مهمترین ویژگیهای رگولاتور خازنی
رگولاتورهای مدرن با بهرهگیری از تکنولوژیهای روز، فراتر از یک سوئیچ ساده عمل کرده و مدیریت کامل کیفیت توان را بر عهده میگیرند. در شبکههای آلوده به هارمونیک، این دستگاهها به همراه فیلترهای نایاب تضمین میکنند که دامنه هارمونیکها در کوتاهترین زمان جذب و کاهش یابد؛ این امر مانع از تشدید (رزونانس) هارمونیکی در هنگام تغییرات شدید بار شده و سلامت تجهیزات را تضمین میکند.
تجهیز به رلههای ولتاژ صفر و جریان صفر
یکی از کلیدیترین لایههای حفاظتی این رگولاتورها، تجهیز به رلههای «ولتاژ صفر» و «جریان صفر» است. این سیستم ایمنی در لحظه قطع ناگهانی برق، کل بانک خازنی را فوراً از مدار خارج میکند تا از وصل همزمان پلهها به ترانسفورماتور بیبار در لحظه برگشت ولتاژ جلوگیری شود؛ امری که مانع از ایجاد اضافه ولتاژهای مخرب و شوکهای شدید به ترانس میگردد.
علاوه بر این، برای واحدهای صنعتی مجهز به ژنراتور که احتمال بازگشت توان اکتیو در آنها وجود دارد، رگولاتور با استفاده از سیستم «اندازهگیری ۴ ناحیهای» و تعریف دو مشخصه کنترلی مجزا برای حالات «مصرف» و «تزریق توان»، مانع از اضافه جبرانسازی و جریمههای سنگین ناشی از تزریق جریان راکتیو به شبکه میشود.
امکان تعریف پلههای ثابت
همچنین، رگولاتور امکان تعریف «پلههای ثابت» را فراهم میآورد تا برخی پلهها (مثلاً برای جبرانسازی دائمی ترانس) همواره در مدار باقی بمانند، در حالی که تمامی حفاظتهای امنیتی همچنان بر آنها نظارت دارند.
در نهایت، با قابلیت برنامهریزی دوگانه و امکان سوییچ بین آنها، میتوان به دقت ضوابط وزارت نیرو را رعایت کرد؛ بدین صورت که با تنظیم ضریب توان بالا برای ساعات پیک روز و جبرانسازی کمتر در ساعات کمباری شب، از «پیشفاز شدن» شبکه و ایجاد هزینههای اضافی جلوگیری میشود. این تنظیمات ترکیبی، ضمن کاهش استهلاک تجهیزات، پایداری کامل شبکه را در تمامی شرایط عملیاتی تضمین میکند.
ویژگی و مزایای رگولاتور
الف) تنظیم و شناسایی خودکار
یکی از برجستهترین ویژگیهای رگولاتورهای مدرن، قابلیت شناسایی خودکار پلهها است. این ویژگی به رگولاتور اجازه میدهد پس از نصب در بانک خازنی و در لحظه راهاندازی اولیه، به صورت هوشمند و ترتیبی، پلههای خازنی را قطع و وصل نماید.
در این فرآیند، رگولاتور با دریافت مقدار جریانِ هر پله از طریق ترانسفورماتور جریان (CT)، ظرفیت دقیق هر پله را محاسبه و ذخیره میکند. پس از اتمام این مرحله، رگولاتور متناسب با «توان راکتیو» مورد نیاز شبکه، بهترین ترکیب از پلهها را برای رسیدن به ضریب قدرت مطلوب وارد مدار میکند.
ب) قطع و وصل دورهای پلهها
این ویژگی نقش حیاتی در افزایش طول عمر تجهیزات دارد. هدف از این قابلیت، متوازن کردن میزان استهلاک بین پلههای همظرفیت است.
به زبان ساده، رگولاتور مدیریت میکند که تمامی پلههای یکسان (مثلاً سه پله ۲۵ کیلوواری) از نظر «تعداد دفعات قطع و وصل» و «مدتزمان حضور در مدار» با هم برابر باشند.
بدین ترتیب، از فشار بیش از حد بر روی یک پله خاص جلوگیری شده و تمامی پلهها به صورت همزمان و یکنواخت مستهلک میشوند، نه اینکه یک پله فرسوده شود و پلههای دیگر بدون استفاده باقی بمانند.
ج) شناسایی پلههای معیوب و حفاظت سیستم
رگولاتورهای پیشرفته قادر به پایش دائم سلامت پلهها هستند. در صورتی که ظرفیت یک پله خازنی کاهش یابد یا دچار خرابی شود، رگولاتور آن را شناسایی کرده و از مدار خارج میکند.
همچنین، این دستگاه وظیفه دارد در هنگام بروز اضافه جریانهای ناشی از هارمونیکهای شبکه، پلههای خازنی را برای جلوگیری از آسیبدیدگی و انفجار، بهسرعت قطع نماید و ضریب توان را در محدوده ایمن و مطلوب حفظ کند.
آشنایی با اصلاح ضریب قدرت توسط خازنها
با استفاده از کسینوس زاویهی اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ، میتوان اجزای توان، ولتاژ و جریان (اعم از توان ظاهری و توان مؤثر) را محاسبه کرد. در عمل، ضریب توان به صورت زیر تعریف میشود:
cos φ = P/S
در دستگاههای الکتریکی، اغلب ضریب توان برای حالت «بار کامل» (Full Load) درج میشود. از آنجایی که شبکههای برق برای توان ظاهری مشخصی طراحی شدهاند، همواره تلاش میشود مقدار توان ظاهری در کمترین سطح ممکن نگه داشته شود.
در صورتی که خازنهای مناسب بهصورت موازی در کنار مصرفکننده نصب شوند، بخشی از توان راکتیو بین خازن و مصرفکننده نوسان کرده و تنها مقدار باقیمانده از شبکه دریافت میشود؛ این امر میزان بارگذاری راکتیو شبکه را کاهش میدهد.
چنانچه به وسیلهی جبرانسازی، ضریب توان به عدد یک برسد، در شبکه فقط جریان مؤثر جریان خواهد داشت.
نحوه محاسبه توان راکتیو بانک خازنی
توان راکتیو خازنی مورد نیاز (QC)، از اختلاف توان راکتیو قبل از جبرانسازی (Q1) و بعد از جبرانسازی (Q2) به دست میآید:
QC = Q1 – Q2
(VAR) (tanφ1 -tanφ2) × P
آشنایی با جبرانسازی توان راکتیو خازنی
توان راکتیوی که بین ژنراتور و مصرفکننده در حال نوسان است، در مسیر شبکه به گرما تبدیل میشود. این جریان نوسانی باعث ایجاد اضافهبار در مولدها، ترانسفورماتورها، کابلها، سیمکشیها و کلیدها شده و در نتیجه، تلفات انرژی و افت ولتاژ را به همراه دارد.
در صورتی که مقدار توان راکتیو مصرفی زیاد باشد، کابلها و سیمها ممکن است ظرفیت انتقال جریان مورد نیاز را نداشته باشند و لازم باشد از کابلهایی با سطح مقطع بزرگتر استفاده شود که هزینهبر است.
از نظر وزارت نیرو، پایین بودن «ضریب توان» (Cos φ)، هزینههای تولید، انتقال و توزیع و همچنین مخارج سرمایهگذاری و نگهداری تجهیزات شبکه را افزایش میدهد. این مخارج تحت عنوان جریمه در قبوض برق مصرفکنندگان لحاظ میگردد؛ به همین دلیل، در مجاورت کنتور اکتیو، یک کنتور راکتیو نیز نصب میشود تا میزان مصرف توان غیرمؤثر اندازهگیری شود.
انواع جبرانسازی توان راکتیو در بانک خازنی
1. جبرانسازی انفرادی
در سادهترین مدل جبرانسازی، یک خازن با ظرفیت مناسب بهصورت موازی با هر مصرفکننده سلفی نصب میشود. با این روش، بار جریان کابلها و سیمهای منتهی به آن دستگاه بهطور چشمگیری کاهش مییابد. در این حالت، خازن دقیقاً همزمان با فعالیت دستگاه وارد مدار شده و با خاموش شدن آن، از مدار خارج میگردد.
2. جبرانسازی گروهی
در این روش، دستگاههایی که در یک بخش قرار دارند و به صورت گروهی کار میکنند، به صورت جمعی جبرانسازی میشوند. در اینجا به جای استفاده از چندین خازن کوچک و مجزا، از یک خازن با ظرفیت بالاتر برای کل گروه استفاده میگردد.
3. جبرانسازی مرکزی
در این روش، کل سیستم جبرانسازی به صورت متمرکز در ورودی اصلی برق (معمولاً در بخش فشار ضعیف) نصب میشود. در اینجا کل توان خازنی به بخشهای کوچکتری به نام «پلههای خازنی» تقسیم شده و یک رگولاتور هوشمند، بر اساس نیاز لحظهای شبکه، پلهها را از طریق کنتاکتورها به مدار وارد یا از آن خارج میکند.
4. جبرانسازی مختلط
به دلایل اقتصادی و فنی، اغلب مقرونبهصرفه است که هر سه روش انفرادی، گروهی و مرکزی با هم ترکیب شوند. در این حالت:
- برای بارهای بزرگ و دائمکار از جبرانسازی انفرادی استفاده میشود.
- برای بخشهایی با بارهای مشابه از جبرانسازی گروهی استفاده میگردد.
- جهت پوشش نوسانات باقیمانده کل کارخانه، یک بانک خازنی مرکزی در ورودی اصلی نصب میشود.
تعرفههای قیمت انرژی و محاسبات جریمه
در محاسبهی قیمت برق مصرفی، «حداکثر تقاضای توان» (دیماند) و میزان انرژی «اکتیو» و «راکتیو» بهصورت مجزا در نظر گرفته میشوند.
در اغلب قراردادهای شرکت برق، سقف مجاز مصرف توان راکتیو برابر با ۵۰٪ مصرف توان اکتیو در نظر گرفته میشود. به عبارت دیگر، اگر مقدار توان راکتیو مصرفی بیش از ۵۰٪ توان اکتیو باشد، مشمول هزینه جریمه خواهد بود.
این نسبت (۵۰٪) متناظر با ضریب توان ۰.۹ است. برای اطمینان و داشتن «توان رزرو خازنی»، توصیه میشود ضریب توان هدف را کمی بالاتر (مثلاً ۰.۹۲) در نظر بگیرید.
جبرانسازی تکی ترانسفورماتور
ترانسفورماتورهای مدرن دارای هستههایی با ورقهای مغناطیسی باکیفیت هستند که برای ایجاد میدان مغناطیسی به توان راکتیو بسیار کمی نیاز دارند. در این تجهیزات، اگر توان خازن بیش از حد انتخاب شود، در زمان بیباری ترانسفورماتور، خطر بروز اضافه ولتاژهای شدید (به دلیل پدیده رزونانس یا خودتحریکی) وجود دارد.
برای اتصال مستقیم به ترمینالهای ترانسفورماتور، استفاده از خازنهایی که دارای فیوز داخلی قدرت هستند، پیشنهاد میشود. همچنین باید دقت داشت که کابل اتصال خازن به ترانسفورماتور، توانایی تحمل جریانهای اتصال کوتاه احتمالی را داشته باشد.
هرگز نباید خازنهایی را که دارای فیوز قدرت داخلی هستند، در حالی که «زیر بار» هستند، از مدار خارج کرد. از آنجایی که جریان خازنی یک جریان پیشفاز و خالص است، قطع دستی آن زیر بار موجب ایجاد قوس الکتریکی شدید و خطرناک میشود.
در صورتی که نیاز است خازن را از یک ترانسفورماتور برقدار جدا کنید، الزامی است که به جای «کلید فیوز»، از «کلید اتوماتیک» استفاده نمایید تا قوس الکتریکی بهصورت ایمن در محفظه کلید خاموش شود.
جبرانسازی انفرادی موتورها
در این روش، توان خازن باید بهگونهای انتخاب شود که حدود ۹۰٪ از توان ظاهری موتور در حالت بیباری را تأمین کند.
توان خازنی مورد نیاز الکتروموتورها عبارتند از:
QC = 0.9√3 × U ×IO
با این انتخاب، ضریب توان در حالت «بار کامل» به حدود ۰.۹ و در حالت «بیباری» به عددی بین ۰.۹۵ تا ۰.۹۸ میرسد که مقداری بسیار ایدهآل است.
میزان توان راکتیو مورد نیاز با سرعت موتور رابطه معکوس دارد. برای موتورهای القایی با سرعت ۱۵۰۰ دور در دقیقه، از اعداد استاندارد جدول استفاده میشود؛ اما برای موتورهای با دور پایینتر، به دلیل افزایش جریان مغناطیسی، باید مقادیر جدول را به شرح زیر افزایش داد:
- برای موتورهای ۱۰۰۰ دور در دقیقه: ۵٪ به توان خازنی اضافه شود.
- برای موتورهای ۷۵۰ دور در دقیقه: ۱۵٪ به توان خازنی اضافه شود.
در ماشینهایی که به روش انفرادی جبرانسازی شدهاند و خازن مستقیماً به ترمینالهای موتور متصل است، توان خازن به هیچوجه نباید بیش از حد مجاز انتخاب شود.
این موضوع بهویژه در دستگاههایی که دارای اینرسی بالا هستند اهمیت حیاتی دارد؛ یعنی دستگاههایی که پس از قطع برق، به دلیل وزن یا نوع بار، همچنان به دوران خود ادامه میدهند (مانند سانتریفیوژها، فنهای بزرگ یا آسیابها).
در این حالت، وقتی کلید اصلی قطع میشود:
۱. موتور از شبکه جدا شده اما به دلیل اینرسی همچنان در حال چرخش است.
۲. خازن متصل به ترمینال، جریان مغناطیسی لازم برای هسته را تأمین میکند.
۳. موتور در این وضعیت دقیقاً مانند یک ژنراتور القایی عمل کرده و شروع به تولید ولتاژ میکند.
ولتاژ تولید شده در این حالت میتواند بهسرعت از ولتاژ نامی شبکه فراتر رفته و به مقادیر بسیار بالای خطرناکی برسد. این اضافه ولتاژ به احتمال بسیار زیاد منجر به سوختن عایقبندی سیمپیچهای موتور و انفجار یا آسیب جدی به خازنها خواهد شد.
تنظیم جریان آستانه قطع (Trip):
زمانی که خازن را به صورت موازی با موتور (بعد از کلید حفاظتی) نصب میکنید، جریان عبوری از کلید کاهش مییابد (چون بخشی از جریان راکتیو توسط خازن تأمین میشود). بنابراین، حتماً باید جریان آستانه قطع کلید حرارتی را به عدد کمتری کاهش دهید تا موتور همچنان در برابر اضافهبار محافظت شود.
فرمول محاسبه جریان تنظیم جدید (Ith):
(IN) (ITH = (cosφ1 / cosφ2
- In: جریان نامی موتور (مندرج روی پلاک مشخصات).
- cosφ 1: ضریب توان موتور قبل از جبرانسازی (روی پلاک).
- cosφ 2: ضریب توان جدید بعد از جبرانسازی (معمولاً حدود ۰.۹۵ در نظر گرفته میشود).
آیا این مقاله برایتان مفید بود؟
