کارکرد، اصل کاری و محاسبه ظرفیت بانک های خازنی

1. اصل کار بنیادی

بیشتر بارهای الکتریکی در سیستم‌های قدرت صنعتی، بارهای القایی هستند، مانند موتورهای ناهمزمان، ترانسفورماتورها، ماشین‌های جوشکاری، لامپ‌های فلورسنت و آهنرباهای الکتریکی. از نظر الکتریکی، این بارها را می توان ترکیبی از مقاومت و اندوکتانس به صورت سری در نظر گرفت. در نتیجه جریان بار از ولتاژ عقب می ماند و مقدار زیادی جریان راکتیو القایی و توان راکتیو تولید می کند.

 

جریان کل در یک مدار از دو جزء تشکیل شده است:

جریان فعالکه با ولتاژ هم فاز است و کارهای مفیدی از جمله راندن موتورها و تولید گرما انجام می دهد.

 

جریان راکتیوکه 90 درجه از ولتاژ عقب می افتد و فقط برای ایجاد و حفظ میدان های الکترومغناطیسی بدون ایجاد کار موثر استفاده می شود.

اگرچه جریان راکتیو توان خروجی مفیدی تولید نمی کند، اما همچنان ظرفیت ترانسفورماتور و خط را اشغال می کند، تلفات سیستم را افزایش می دهد و کیفیت کلی توان را کاهش می دهد. این یکی از دلایل عمده اتلاف انرژی در سیستم های قدرت صنعتی است.

 

در مقابل، جریان یک خازن ولتاژ را 90 درجه هدایت می کند که در فاز مخالف جریان راکتیو القایی است. هنگامی که خازن ها موازی با بارهای القایی متصل می شوند، جریان راکتیو خازنی بخشی یا تمام جریان راکتیو القایی را جبران می کند و در نتیجه به جبران توان راکتیو می رسد. این اصل اساسی عملکرد یک بانک خازن است.

2. توابع اصلی بانک های خازن

بانک های خازنیبه طور گسترده در سیستم‌های توزیع برق صنعتی ولتاژ پایین برای بهبود ضریب توان، کاهش تلفات توان راکتیو، افزایش کیفیت توان و دستیابی به صرفه‌جویی در انرژی استفاده می‌شوند.

 

توابع اصلی آنها عبارتند از:

• بهبود ضریب قدرت

توان راکتیو خازنی تولید شده توسط خازن ها، توان راکتیو القایی بار را جبران می کند، اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان را کاهش می دهد و به طور موثر ضریب توان سیستم را بهبود می بخشد.

 

• کاهش تلفات خط و جلوگیری از اضافه بار

با کاهش جریان راکتیو غیرضروری در سیستم، جریان کل خط به همان نسبت کاهش می‌یابد که تلفات برق را در کابل‌ها و ترانسفورماتورها کاهش می‌دهد و به جلوگیری از اضافه بار ناشی از توان راکتیو بیش از حد کمک می‌کند.

 

• تثبیت ولتاژ شبکه

بارهای القایی سنگین اغلب باعث افت و نوسانات ولتاژ می شوند که ممکن است بر عملکرد عادی تجهیزات الکتریکی تأثیر بگذارد. جبران خازن به تثبیت ولتاژ ترمینال و بهبود قابلیت اطمینان منبع تغذیه کمک می کند.

 

• آزادسازی ظرفیت ترانسفورماتور

توان راکتیو بخشی از ظرفیت نامی ترانسفورماتور را اشغال می کند و توانایی آن را برای ارائه توان اکتیو محدود می کند. جبران توان راکتیو ظرفیت ترانسفورماتور را آزاد می کند و راندمان استفاده از تجهیزات را بهبود می بخشد.

 

3. ساختار و عملیات کابینه خصوصیات

3.1 اجزای اصلی

یک بانک خازن استاندارد-ولتاژ پایین عمدتاً شامل موارد زیر است:

• محوطه کابینت
• باسبار
• کلیدهای مدار
• سوئیچ های جدا کننده
• کنتاکتورهای AC
• رله حرارتی
• صاعقه گیر
• خازن های جبرانی
• راکتورهای سری
• کنترل کننده های ضریب توان اتوماتیک
• ابزار اندازه گیری
• سیستم های سیم کشی اولیه و ثانویه
• بلوک های ترمینال

 

3.2 ویژگی های عملیاتی

بانک خازن در شرایط عادی به طور خودکار عمل می کند و به طور کلی نیازی به مداخله دستی معمولی ندارد. همراه با سیستم منبع تغذیه اصلی شروع و متوقف می شود.

 

هوشمند داخلی-کنترل کنندهبه طور مداوم شرایط بار و ضریب توان سیستم را در زمان واقعی نظارت می کند. با توجه به تقاضای توان راکتیو، به طور خودکار بانک های خازن را روشن یا خاموش می کند تا حالت جبران بهینه حفظ شود و تلفات توان راکتیو به حداقل برسد.

 

برای نگهداری معمول، بازرسی های منظم باید انجام شود تا موارد زیر بررسی شود:

• نشت یا تورم روغن خازن
• صدای غیر طبیعی یا گرمای بیش از حد
• اتصالات سیم کشی شل
• کابل های قدیمی یا قطعات آسیب دیده

 

4. خطرات ضریب توان کم (قدرت راکتیو بیش از حد)

اگر جبران توان راکتیو در سیستم هایی با بارهای القایی زیاد نصب نشود، ضریب توان به طور قابل توجهی کاهش می یابد که منجر به مشکلات زیر می شود:

• جریان بالاتر خط باعث افزایش تلفات حرارتی در کابل‌ها و ترانسفورماتورها می‌شود و در نتیجه مصرف انرژی بیشتر و اتلاف برق می‌شود.
• افت بیش از حد ولتاژ باعث ناپایداری و کاهش ولتاژ شبکه می شود که ممکن است بر عملکرد عادی تجهیزات الکتریکی تأثیر بگذارد.
• توان راکتیو ظرفیت ترانسفورماتور را اشغال می کند و توان خروجی فعال موجود را محدود می کند و بازده استفاده از تجهیزات توزیع برق را کاهش می دهد.

 

5. روش محاسبه ظرفیت جبرانی مورد نیاز

روش اندازه‌گیری تجربی برای کاربردهای صنعتی

در کاربردهای مهندسی عملی، ظرفیت جبرانی مورد نیاز معمولاً تقریباً یک-یک سوم ظرفیت نامی ترانسفورماتور (واحد: kVAR) در نظر گرفته می‌شود.

بسته به مشخصات بار واقعی و شرایط عملیاتی، ظرفیت جبران به طور کلی در محدوده 30٪ تا 40٪ از ظرفیت نامی ترانسفورماتور است.

 

مثال

برای ترانسفورماتور توزیع 200 کیلوولت آمپر:

ظرفیت جبرانی توصیه شده:

200 × (30% ~ 40%)=60 ~ 80 kVAR

بنابراین، یک بانک خازن با ظرفیت بین 60 کیلو ولت تا 80 کیلو ولت به طور کلی برای برآوردن الزامات جبران توان راکتیو در سایت توصیه می شود.