کار خازن
استفاده از خازنها جهت تولیدکننده بار راکتیو به منظور تنظیم و کنترل ولتاژ و جلوگیری از نواسانات قدرت در شبکه ها و تصحیح ضریب قدرت در مصرف کننده ها به علت ارزانی و سادگی سیستم آن، بسیار متداول است. در یک مصرف کننده الکتریکی غیر اهمی بین ولتاژ و جریان، اختلاف فازی وجود دارد (φ1). جریانی که مصرف کننده از شبکه می گیرد دو جزو اکتیو (IP) و راکتیو (Iq) دارا میباشد. اگر یک خازن را به دو سر بار، متصل کنیم جریانی (Ic) که از شبکه می گیرد در خلاف جهت جریان غیر مفید بار است. پس جریان مفیدی که از شبکه کشیده میشود کاهش خواهد یافت . در این شرایط زاویه جدید بین جریان و ولتاژ (φ2) کم میشود. یعنی دیگر در شرایط جدید، ضریب توان cos(φ2)بزرگتر شده و هر اندازه زاویه کوچکتر باشد متناسب با آن، قدرت اکتیو بیشتر و قدرت راکتیو کمتر خواهد شد.
اتصال خازن به شبکه:
خازنهای اصلاح ضریب توان بایستی در شبکه بصورت موازی قرار گیرند . برای انجام اینکار در شبکه های تکفاز باید به فاز و نول وصل شوند و در شبکه های سه فاز پس از اتصال بصورت ستاره یا مثلث آنگاه به سه فاز متصل می شوند .
این خازنها باید از انواعی انتخاب شوند که بتوانند دایمی در مدار قرار گیرند پس باید بتوانند ولتاژ شبکه را تحمل کنند در محاسبه خازن از انواعی استفاده می شود که ولتاژ مجاز آنها 15% بیشتر از ولتاژ شبکه باشد .
▪ مزایای استفاده از خازن:
خازنهای مورد استفاده در شبکه های برق دارای اثرات مختلفی هستند که از جمله میتوان به این موارد اشاره کرد:
ـ کاهش مولفه پس فاز جریان مدار
ـ تنظیم ولتاژ و ثابت نگهداشتن آن به منظور جلوگیری از وارد آمدن خسارت به دستگاهها
ـ کاهش تلفات سیستم به دلیل کاهش جریان (R*I²)
ـ کاهش توان راکتیو در سیستم به دلیل کاهش جریان
ـ بهبود ضریب توان شبکه
ـ به تعویق انداختن و یا به طور کلی حذف کردن هزینه های لازم برای ایجاد تغییرات در سیستم
ـ افزایش درآمد ناشی از افزایش ولتاژ و جبران بار راکتیو
انواع خازنهای قدرت:
1) خازن روغنی: که برای استفاده در MV مناسب است. از ایرادات این خازن می توان به سنگینی، نشت روغن و تلفات بیشتر (3 تا 4 درصد ظرفیت خازن) اشاره نمود.
2) خازن گازی: که می توان از آن در LV و MV استفاده کرد ولی قیمت بالائی دارد.
3) خازن خشک یا سیلندری: که دارای مزیتهای زیر می باشد:
a. طول عمر زیاد
b. حجم کم
c. تلفات کم
d. سیستم خود ترمیمی
e. غیر قابل انفجار و اشتعال
f. سازگار با محیط زیست.
4) خازن موتوری و روشنائی: از جمله مزایای این خازنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
a. افزایش گشتاور کاری در موتورها
b. بهبود ضریب توان لامپهای تخلیه گازی و کاهش جریان الکتریکی
نکات:
· خازنها دارای مقاومت تخلیه هستند که بصورت موازی با آن بسته می شوند.
· ظرفیتهای متعارف موجد عبارتند از: 7.5، 15، 30و ... KVAR و نیز 12.5، 25، 50 و ... KVAR
تعیین ضریب توان ( (cosφ
روشهای تعیین میزان ضریب توان عبارتند از:
الف) توسط دستگاه ضریب توانسنج: در این حالت ضریب توان مستقیماً قابل خواندن است.
ب ) با استفاده از مقدار مصرف ماهانه: ضریب توان در این روش با تقسیم توان راکتیو مصرفی به توان اکتیو مصرف شده در یک دوره کنتور خوانی، قابل محاسبه است.
ج) به کمک سنجش تعداد دور کنتورهای اکتیو و راکتیو: در این روش تعداد دور کنتورها در یک زمان معین، شمارش شده و سپس با داشتن عدد ثابت کنتورها ( تعداد دور به ازای یک کیلووات ساعت یا یک کیلو وار ساعت) ضریب توان متوسط محاسبه میشود.
برای دقت در اندازه گیری، آزمایش چندبار، تکرار و در نهایت حد وسط، محاسبه و ملاک عمل قرار میگیرد.
محاسبه توان خازن:
پس از مشخص شدن مقدار ضریب توان موجود، محاسبه خازن برای جبران توان راکتیو و اصلاح ضریب توان، انجام میشود. معمولاً این جبرانسازی برای ضریب قدرت بین 0.85 تا 0.95 انجام میشود. از جبرانسازی ضریب قدرت بیش از 0.95 باید اجتناب شود. زیرا در این شرایط علاوه بر نیاز به میزان قابل ملاحظه ای از خازن برای تامین قدرت راکتیو، هادیها به دلیل عبور جریان زیاد راکتیو تحت تنش قرار گرفته و نیز ممکن است در شبکه مصرف کننده افزایش ولتاژ نامطلوبی ایجاد شود.
روشهای متداول برای محاسبه توان خازن مورد نیاز به این شرح است:
الف) روش ضریب قدرت تصحیح شده:
در این روش با استفاده از جدول و به کمک فرمول (توان خازن مورد نیاز=fXpXФC)، محاسبه میشود. مقدار( Cos(φ1 ضریب قدرت فعلی سیستم است که قبلاً روش محاسبه آن ذکر شد و (Cos(φ2ضریب قدرت مورد انتظار است.
ـ : ФC توان خازن مورد نیاز [KVAR]
ـ P: توان اکتیو مصرف کننده [KW]
ـ f: ضریب تبدیل (که از جدول به دست میآید)
ب) روش دوم محاسبه:
(Q=Px(tgφ1-tgφ2
در این فرمول، 1φ ضریب فعلی و 2φ ضریب است که میخواهیم به آن برسیم، همینطور P توان اکتیو میباشد.
ج ) روش استفاده از نمودار:
در این روش به کمک نمودار و با معلوم بودن توان اکتیو مصرف کننده و ضریب توان مورد انتظار، مقدار توان خازن مورد نیاز مشخص می شود.
روشهای جبرانسازی:
1- انفرادی:
در این روش، خازن موازی با load قرار می گیرد. از این روش عمدتا برای جبرانسازی توان رآکتیو بی باری ترانسفورماتور، موتورهای دائم کار و موتورهای کم بار و یا با کابل طولانی استفاده می شود.
از مزایای آن می توان به پاک شدن شبکه داخلی از توان رآکتیو و مخارج کمتر اشاره کرد.
در عین حال معایب زیر نیز وجود دارند:
- جبران سازی در تمام کارخانه پخش می شود.
- نصب پیچیده تری دارد.
- نظر به عدم توجه به ضریب همزمانی خازن بیشتری مورد نیاز است.
2- گروهی:
برای دستگاههایی استفاده می شوند که بصورت گروهی (مصارف سلفی سنگین درصورت بکار گرفته شدن همزمان) نصب می شوند. در این روش بجای استفاده از خازنهای مختلف کوچک، از یک خازن بزرگ استفاده می شود.
این نوع جبران سازی، مشابه انفرادی، ولی اقتصادی تر می باشد. ولی تنها برای مصرف کننده های گروهی قابل استفاده می باشند.
3- جبران سازی مرکزی:
در این روش، خازنها در ورودی برق اصلی قرار داده می شوند و تمام توان رآکتیو را پوشش می دهند. با این کار،کل توان خازن به پله های متعددی تقسیم شده و بوسیله یک رگولاتور و چند کنتاکتور، متناسب با توان مورد نیاز، خازنها وارد مدار می شوند.
از جمله مزایای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- کل سیستم قابل دید و کنترل می باشد.
- از خازنها به نحو درستی استفاده می شود.
- بدلیل توجه به ضریب همزمانی، از خازنهای کمتری استفاده می شود.
- هارمونیک شبکه، با افزودن رآکتور به خازنها، کنترل می شود.
از معایب آن نیز قیمت بالاتر (بدلیل استفاده از رگولاتور) و نیز کم نشدن بار داخلی شبکه می باشد.
4- مختلط:
در برخی موارد بهتر است بنا به دلایل اقتصادی، از هر سه روش فوق استفاده گردد.
رگولاتور تصحیح ضریب قدرت:
از آنجا که هدف از نصب خازن، حذف بار راکتیو متغیر مصرف کننده در هر شرایط است، برای کنترل آن از رگولاتور تصحیح ضریب قدرت استفاده می شود.
رگولاتور، ترتیب به مدار آمدن و یا از مدار خارج شدن خازنها در یک بانک خازنی را تعیین کرده و متناسب با بار راکتیو مورد نیاز، فرمان قطع و وصل به کنتاکتور ها صادر می کند. از جمله نکات قابل توجه در رگولاتور ها تنظیم مربوط به نسبت (C/K) است.
مقدار (C/K) عبارت است از نسبت تبدیل توان اولین پله خازن © به نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان (K) متصل به رگولاتور.
لذا پس از مشخص شدن توان راکتیو مورد نیاز باید آن را به نسبت مصارفی که در هر لحظه وارد مدار میشود پله بندی و رگولاتور مناسب با این مجموعه را انتخاب کرد .
نحوه پله بندی خازنها در مشخصات فنی رگولاتور ها ذکر میشود و بطور عمومی به یکی از سه روش زیر و متناسب با رفتار بار راکتیو مصرف کننده انتخاب میشود:
ـ (۱) ۱:۱:۱ …
ـ (2) ۱:۲:۲ …
ـ (۳) ۱:۲:۴:۸ …
از مشخصه های مهم دیگر رگولاتور ها مراحل عملکرد آنهاست. بعنوان نمونه در رگولاتور نوع ۵/۳ تعداد سه عدد خازن در پنج حالت مختلف میتوانند در مدار گیرند. بنابراین برای مقدار معینی از توان راکتیو خازنی، انتخابهای متنوعی می تواند صورت گیرد که میزان بار راکتیو که در هر مرحله وارد مدارد میشود و نیز نوع رگولاتور عامل موثر در طراحی بانکهای خازنی خواهد بود.
عمدۀ مصر ف کنندگان انرژی راکتیو عبارتند از:
1) سیستمهای الکترونیک قدرت
الف) مبد لهای AC/DC (Rectifiers)
ب) مبد لهای Inverters) DC/AC )
ج) مبد لهای Converters) AC/AC )
د) چاپرها(Choppers)
2 ) مصر ف کنندگان یا تجهیزاتی که دارای مشخصه غیر خطی هستند.
3 ) مصر ف کنندگانی که در شکل موج ولتاژ محل تغذیه خود اعوجاج (هارمونیک) ایجاد می نمایند.
4 ) متعاد ل سازهای بارهای نامتعادل
5 ) تثبیت کنند ه های ولتاژ
6 ) کور ه های القایی
7 ) کور ه 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 فشارقوی مقاو متر 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 راکتیوهم کارساز نبوده و باید انرژی در محل تولید گردد.
خازن اصطلاحاً تولید کنندۀ انرژی راکتیو است، اما خازن توان راکتیو تولید نکرده بلکه مصر ف 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 رابه شبکه تحویل می دهد و در زمانی که القاگر انرژی ذخیره شد ه 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 مصر ف 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 ویا 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 امکا ن پذیر 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:
بر اساس استاندارد ولتاژی است که خازن آن را به طور دائمی و بدون صدمه دیدن تحمل می کند.
ولتاژ نامیUnبر اساس استاندارد جریانی است باشد که خازن در ولتاژ و فرکانس نامی از شبکه می کشد.
جریان نامی Inمیزان توان راکتیو خارن، در ولتاژ و فرکانس نامی است.
توان راکتیو نامیQn تمامی خاز نها 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 وخنک سازی خازن، خاز نها به صورت تکفاز ساخته می شوند. اتصال خازن های تکفاز به دو صورت اتصالات ستاره و یا مثلث امکا ن پذیر است و بــسته به نوع اتصال، جریــا نهای 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 رابه شبکه تحویل داده، جریان یکسانی از شبکه می کشند ولی جریان عبوری از هر خازن در دو حالت برابر نیست. باذکر 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