بانک خازنی:چگونه برای اصلاح ضریب توان بانک خازنی طراحی کنیم؟

انواع بانک خازنی

بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان و یا پاور فکتور طراحی می‌شود. در این مقاله ما اصول کاربردی طراحی بانک خازنی را به شما آموزش می‌دهیم.

اصول طراحی انواع بانک خازنی

همانطور که می‌دانیم هدف اصلی و عمده نصب بانک‌‌های خازنی، جبران انرژی راکتیو در مدار است. به دلیل تغییرات میزان انرژی مصرفی در طول زمان، لازم است تا میزان انرژی راکتیو تزریق شده در مدار نیز که بوسیله خازن ها تامین می‌شود ، قابل تغییر باشد. پر واضح است که در صورت عدم تامین انرژی راکتیو متغیر توسط خازن ها امکان بروز 2 حالت وجود دارد:

توان راکتیو کمتری نسبت به آنچه مورد نیاز است به مدار تزریق شود، که باعث جبرانسازی ناقص در مدار شده و به ناچار کمبود توان راکتیو از طریق شبکه تامین می‌شود که هزینه‌ها و جریمه‌های مصرف راکتیو را در بر خواهد داشت.

تزریق بیشتر از میزان مورد نیاز به مدار، که می‌تواند اضافه ولتاژ را به همراه داشته باشد. این میزان اضافه ولتاژ در مدار از رابطه زیر بدست می‌آید:

که در آن Uk درصد ولتاژ ترانسفورماتور و St قدرت ترانسفورماتور است.

انواع تجهیزات برق صنعتی

• بهترین برندهای موجود در بازار
• قیمت کف بازار تهران
• همراه با گارانتی معتبر

لیست قیمت محصولات رو ببین >

جهت کاهش مصرف توان راکتیو و بهبود ضریب توان معمولی‌ترین راه، استفاده از خازن‌های شنت می‌باشد. این خازن‌ها به صورت موازی در مدار قرار می‌گیرند و وظیفه تزریق توان راکتیو را به مدار بر عهده دارند.

محل نصب خازن، نوع خازن گذاری و ولتاژ انتخابی جهت خازن‌گذاری متناسب با نوع مصرف، شکل شبکه و گستردگی بار تعیین می‌گردد.

به طور کلی بهترین محل نصب خازن از نظر الکتریکی نزدیک به بار و برای هر بار به صورت مجزا می‌باشد. این نتیجه به علت هزینه بسیار بالا و تنوع بسیار زیاد خازن و مسایل نگهداری تقریباً عملی نیست. بنابراین همواره تلفیقی از روش‌های موجود جهت نصب خازن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به طور مثال شبکه های مجهز به 4 عدد موتور فشار متوسط مجهز است و مابقی بارها به شبکه فشار ضعیف متصل است. در شبکه فوق الذکر، موتورها را به صورت محلی جبرانسازی کرده و برای شبکه فشار ضعیف به صورت گروهی یا مرکزی خازن‌گذاری می‌کنند. در ادامه به بررسی سه روش مرسوم خازن‌گذاری می‌پردازیم و مزایا و معایب هرکدام و محل مصرف هر یک را به اختصار بیان می‌کنیم.

بانک خازن محلی (نقطه‌ای)

در این نوع جبران‌سازی، بارها هر یک خازن خود را دارند. این نوع بانک براک بارهای صنعتک بزرگ مناسب است. از مزایای این گونه جبرانسازی می‌توان به پایین بودن هزینه بر کیلووار این نوع جبرانسازی، جبران‌سازی کامل توان راکتیو و پایین آوردن تلفات شبکه داخلی را نام برد. از معایب این روش هزینه زیاد نصب، هزینه زیاد نگهداری و تنوع زیاد رنج خازن را می‌توان نام برد.

بانک خازنی گروهی

در برخی موارد، بار در شیفت‌های مختلف روشن و خاموش می‌شود و یا در یک پروسه تولید یک مجموعه بار همزمان باید روشن باشند. بار شبکه می‌تواند به صورت فیدرها یا مدارهای چند شاخه باشد که هر شاخه وظیفه برق‌رسانی به قسمتی از پروسه تولید را دارد که این پروسه می‌‌‌تواند به صورت مستقل اقدام به کار کند. بنابراین، می‌توان بانک خازنی را همراه آن بارها خاموش و روشن کرد این نوع بانک خازنی تلفات را در مدار داخلی کارخانه کاهش می‌دهد اما تاثیری بر تلفات موجود در پروسه مورد نظر خود ندارد. از مزایا آن پایین بودن هزینه به علت نداشتن عناصر سوئیچینگ و کنترلر می‌باشد ولی هزینه نصب و نگهداری آن عمدتاً بالا است.

بانک خازنی مرکزی

در این روش، ضریب توان چند بار در یک محل اصلاح می‌شود. این تکنیک برای شرکت‌ها یا کارخانه‌هایی که بار توزیع‌شده دارند مناسب است. در این مدل شبکه ها بارها به صورت غیرمنظم و بدون ترتیب خاصی وارد مدار می‌شوند. تجهیزی به نام رله کنترل توان راکتیو وظیفه قطع و وصل خازن‌ها را بر عهده دارد.

این روش مزایای زیادی دارد که از آن جمله نگهداری آسان، هزینه نصب کم، میزان خازن نصب شده کمتر مخصوصاً در مکان‌هایی که ضریب همزمانی بارها پایین است را نام برد. از معایب آن می توان عدم کاهش تلفات در شبکه داخلی کارخانه و بالا بودن قیمت بر کیلووار بانک خازنی نام برد.

طراحی بانک خازنی در شرایط بدون هارمونیک

حال که تا حدی با خازن و با مفهوم جبران‌سازی آشنا شدیم، وقت به آن رسیده که در این قسمت طراحی بانک خازنی مجتمع را مورد بررسی قرار دهیم. جهت طراحی بانک های خازنی باید موارد متعددی را در نظر گرفت تا قادر به انتخاب تجهیزات مورد نیاز جهت ساخت بانک خازنی از جمله خازن، کنتاکتور، فیوز و .. با توجه به نیازهای شبکه باشیم. در این پخش موارد ذیل عمده مسائل مرتبط با طراحی بانک خازنی می باشد که در ادامه به شرح آنها می پردازیم:

• نحوه اتصال خازن
• محاسبه ظرفیت مورد نیاز
• تعیین ظرفیت پله اول و آرایش پله‌‎ها
• گزینش تجهیزات بانک خازنی ( فیوز و کابل برق )
• حفاظت‌ها
• انتخاب CT جهت نمونه برداری
• رله کنترل توان راکتیو
• خازن و شبکه‌های آلوده به اعوجاجات هارمونیکی

نحوه اتصال خازن

توان راکتیو خازن و مقدار موثر جریانی که هنگام اتصال خازن به شبکه، از شبکه به سمت خازن جاری می‌گردد، به نحوه اتصال خازن و ولتاژ محل نصب خازن به شبکه بستگی دارد. به طور کلی خازن ها را بر اساس چند مشخصه خاص شناسایی می کنند:

1. Un ولتاژ نامی خازن که بر اساس استاندارد ولتاژی است که خازن آن را به طور دائمی و بدون صدمه دیدن تحمل می‌کند.
2. In جریان نامی خازن که بر اساس استاندارد جریانی است که خازن در ولتاژ و فرکانس نامی از شبکه می‌کشد.

به طور کلی خازن‌ها به صورت تکفاز ساخته می‌شوند و در ولتاژهای پائین، سه خازن تکفاز بر اساس نیاز به صورت ستاره یا مثلث به هم متصل گشته و درون بدنه فلزی قرار می‌گیرند. معمولاً به دلیل عدم وجود مشکلات عایقی در فشار ضعیف برای داشتن توان راکتیو بالاتر اتصال خازن‌ها به صورت مثلث می‌باشد و در فشار متوسط و فشار قوی بدلیل مشکلات عایقی و هزینه‌های بیشتر عایق سازی نسبت به داشتن توان راکتیو بالاتر، از اتصال ستاره استفاده می‌شود. اتصال ستاره مزیت‌های دیگری نیز در حفاظت کردن از این شبکه‌ها برای ما فراهم می‌کند که متعاقباً توضیح داده خواهد شد.

در صورت استفاده خازن در ولتاژی کمتر از ولتاژ نامی ظرفیت آن طبق فرمول زیر حساب می شود.

که در فرمول فوق اندیس n نشان مقادیر نامی و اندیس 0 نشانه مقادیر جدید می‌باشد.

به طور مثال اگر یک خازن 18 کیلووار با ولتاژ 480 ولت، در ولتاژ 400 ولت مورد استفاده قرار گیرد ظرفیت آن 12.5 کیلووار خواهد شد. لازم به ذکر است که به صورت برعکس امکان استفاده خازن 400 ولت در شبکه 480 ولت به علت مسائل عایقی وجود ندارد.

محاسبه ظرفیت مورد نیاز

بهترین روش برای محاسبه ظرفیت بانک خازنی استفاده از منحنی تغییرات توان اکتیو و ضریب توان بر حسب زمان است. در این حالت از روی منحنی ضریب توان منحنی تانژانت زاویه توان را تشکیل می‌دهیم. در شکل زیر منحنی ضریب توان یک شبکه فرضی را مشاهده می‌کنید.

با استفاده از فرمول زیر تانژانت زاویه توان را محاسبه کرده، در شکل زیر منحنی تانژانت زاویه توان را برای مشترک مفروض قابل مشاهده است.

با پیش فرض ضریب توان 0.95 به عنوان ضریب توان مطلوب که در آن تانژانت زاویه توان برابر 0.33 می شود، و استفاده از فرمول زیر می‌توان میزان راکتیو مورد نیاز را حساب کرد. در شکل زیر توان راکتیو مورد نیاز شبکه مفروض جهت رسیدن به ضریب توان مطلوب 0.95 را مشاهده می‌کنید.

(Q=p(tgφ1-tgφ2

زمانی که این منحنی‌ها در دسترس نباشند، می‌توان با استفاده از قبض برق و از تقسیم مجموع راکتیو مصرفی بر مجموع اکتیو مصرفی تانژانت زاویه توان را محاسبه کرد، و پس از کسر تانژانت زاویه توان مطلوب از آن و با ضرب آن در قدرت قراردادی میزان توان راکتیو مورد نیاز را جهت رسیدن به ضریب توان مطلوب را بدست آورد. به طور کلی فرمول‌های مورد استفاده به شرح ذیل است.

(Q=p(tgφ1-tgφ2

که در رابطه بالا:

P= میزان قدرت قراردادی بر حسب کیلووات

Q= میزان توان راکتیو مورد نیاز

تعیین ظرفیت پله اول و آرایش پله‌ها

بعد از مشخص کردن میزان توان راکتیو مورد نیاز جهت تصحیح ضریب توان، وقت آن است که آرایش پله ها را مشخص کنیم. در صورتی که منحنی تغییرات توان راکتیو بر حسب زمان از زمان روشن شدن پروسس تمام بار بودن شبکه را در دست داشته باشیم با استفاده از میزان تغییرات آن می‌توان ظرفیت پله اول را تعیین کرد. ولی از آنجایی که فراهم آوردن چنین منحنی تقریباً امکان‌پذیر نمی‌باشد بنابراین، از یکی از سه روش ذیل می‌توان این مسیر را طی نمود:

1. در صورتی که بارهای موجود در شبکه بارهایی با سایزهای مختلف از توانهای بسیار کم (چند کیلووات) الی توان‌های بزرگ (چند صد کیلووات) باشند، در این حالت پله اول را 5% الی 10% ظرفیت کل تابلو انتخاب می‌نمایند. مثلاً در یک بانک 200 کیلواری با پله اول 10 کیلووار که باری با ضریب توان 0.7 را تا 0.95 جبران‌سازی می‌کند، به ازای هر 15 کیلووات تغییر در بار، یک پله وارد یا خارج می‌شود. علاوه بر توجه به اندازه پله‌ها ظرفیت پله اول جهت جبرانسازی بهتر باید جهت انتخاب به رنج خازن وکنتاکتورهای موجود نیز توجه کرد.
2. در صورتی که نیازی به تنظیم و جبران‌سازی دقیق نباشد و یا تغییرات بزرگتر بار را داشته باشیم، مانند شبکه‌هایی که از چند موتور بزرگ تشکیل شده‌اند لازم است پله اول حدود 10 الی 15 % ظرفیت کل انتخاب گردد تا رله کنترل توان راکتیو به این نوع تغییرات بار پاسخ دهد.
3. در شبکه های فشار متوسط که تغییرات بار معمولاً نرم می‌باشد وتعداد دفعات سوییچینگ تجهیزات فشار متوسط بسیار پایینتر از تجهیزات فشار ضعیف می‌باشد، همچنین به علت طولانی بودن زمان دشارژ خازن سرعت سوییچینگ بسیار پایین است. با توجه به دلایل فوق الذکر و همچنین با توجه به مسایل اقتصادی معمولاً بانک‌های خازنی را به دو پله و یا ماکزیمم به سه پله تقسیم می‌کنند.

پس از تعیین پله اول بانک خازنی زمان انتخاب دیگر پله‌های بانک می‌رسد، به طور کلی برای طراحی بانک خازنی، آرایش‌های مختلفی را می‌توان در نظر گرفت. مثلاً در مثال قبل اگر پله اول 10 کیلووار باشد و همه پله‌ها را 10 کیلووار در نظر بگیریم به 20 پله نیاز خواهیم داشت که موجب افزایش قیمت تمام شده بانک خازنی می‌شود. همچنین معمولاً تعداد راه‌های خروجی رله کنترل توان هیچگاه 20 عدد نمی‌باشد. به طور کلی در طراحی ها همانطور که گفته شد باید پله اول 5 الی 10 % کل بانک باشد و هر پله حداقل می‌تواند برابر پله ماقبل خود و حداکثر برابر مجموع پله های قبل بعلاوه پله اول باشد. لازم به ذکر است که بهتر است در ساخت بانک‌های فشار ضعیف از پله‌هایی با ظرفیت بیش از 100 کیلووار استفاده نشود.

گزینش تجهیزات بانک خازنی (فیوز و کابل‌ها)

بر خلاف دیگر تجهیزات برقی، خازن همیشه تحت اضافه بار است و حضور تنها درصد ناچیزی هارمونیک یا اعوجاج در ولتاژ محل تغذیه، می‌تواند باعث اضافه جریان در خازن گردد. بر اساس استاندارد خازن‌ها باید بتوانند 30% اضافه جریان را به صورت دائمی تحمل کنند. با توجه به این مطلب که خازن معمولاً تحت اضافه بار می‌باشد و همین جریان از فیوزها، شین‌ها و کنتاکتورها عبور می‌کند، لازم است که تمامی تجهیزات جانبی خازن بر اساس حداقل 30% اضافه جریان انتخاب گردند. اما فقط عامل اضافه جریان اعوجاجات هارمونیکی نمی‌باشد.

خازن‌های فشار ضعیف می‌‍توانند در طول روز به مدت 8 ساعت مقدار 10% اضافه ولتاژ را بدون کاهش طول عمر تحمل کنند. همچنین طبق استاندارد افزایش 10% ظرفیت خازن در هنگام ساخت مجاز است. بنابراین با ضرب پارامترهای فوق در یکدیگر اضافه جریانی را در حدود 57% در بر دارد. بنابراین در هنگام انتخاب کلید و باسبار در نظر گرفتن اضافه جریان 50% لازم می‌باشد.

البته در زمان انتخاب فیوز باید به این نکته توجه شود که بر اساس استاندارد وظیفه فیوز در بانک‌های خازنی تنها قطع اتصال کوتاه می‌باشد و نمی‌تواند وظیفه حفاظت در برابر اضافه جریان را بر عهده بگیرد. در واقع حفاظت در مقابل اضافه جریان را می‌توان در تنظیمات رگولاتور لحاظ کرد و به این تجهیز واگذار کرد. بنابراین در انتخاب فیوز باید ضریب 7/1 تا 2 برابر محدوده جریان نامی را در نظر گرفت تا مشکلی رخ ندهد.

در انتخاب کنتاکتورهای بانک خازنی نیز باید به این نکته توجه شود که باید از کنتاکتورهای خازنی AC6-b استفاده شود و در صورت استفاده از کنتاکتورهای AC3 باید ضریبی در حدود 1.5 برابر برای انتخاب هر کنتاکتور در نظر گرفت.

کنتاکتورهای کنتاکتور AC6-b نمایش داده شده است. در این کنتاکتور، کنتاکت‌های کمکی حدود 1 الی 2 میلی ثانیه زودتر از کنتاکت اصلی بسته می‌شوند. در مدار کنتاکت‌های کمکی دو عدد مقاومت به صورت سری با شبکه قرار دارد. بنابراین خازن در اول اتصال به صورت یک مدار RC در مدار قرار می‌گیرد. که خود باعث کاهش جریان هجومی می‌شود. پس از گذشت 2 میلی ثانیه مدار اصلی بسته شده و مدار کمکی را اتصال کوتاه می‌کند.

در مدل‌های جدید پس از اتصال کنتاکت اصلی کنتاکت‌های کمکی از مدار خارج می‌شوند، که این خود باعث می‌شود که مقاوت‌های محدود کننده جریان هجومی به صورت دایم درمدار نباشند. در صورت دایم در مدار بودن مقاوت‌های محدود کننده در صورت مقاومت دار شدن کنتاکت‌های اصلی به علت عملکرد زیاد باعث عبور قسمتی از جریان از مقاوت‌های کمکی و گرم شدن و حتی سوختن آنها شود.

از طرف دیگر در انتخاب خازن‌ها نیز باید به این نکته توجه شود که بخصوص در نقاط صنعتی و در سطح فشار ضعیف توصیه می‌شود که حتی المقدور از خازن‌های کوچکتر استفاده شود. مقدار خازن 12.5 کیلووار مقدار بهینه ای است، چرا که خازن نسبت به حرارت بسیار حساس است و با افزایش حرارت طول عمر آن کاهش می‌یابد. پس بهتر است به جای خازن 25 کیلووار از 2 عدد 12.5 کیلووار و همچنین به جای 50 کیلووار از 4 عدد 12.5 کیلووار استفاده نمود تا سطح جانبی کل افزایش یافته و امکان جابجایی هوا و دفع حرارت بیشتر شود و مشکلات کمتری برای خازن رخ دهد. از طرفی با افزایش تعداد خازن‌ها در یک میزان کیلووار ثابت، نسبت میزان جریان سویچینگ به جریان نامی خازن کاهش یافته و مکان صدمه خوردن به خازن مجدداً کاهش می‌یابد.