در صنعت بیشتر بارها از نوع سلفی مقاومتی هستند. موتورها، ترانس ها، کوره های القایی و حتی مبدل های قدرت مثل یکسو سازهای تریستوری که مدار کموتاسیون نیز دارند این خاصیت سلفی- مقاومتی را دارند.
خاصیت سلفی باعث ایجاد توانی با نام توان راکتیو در شبکه برق می شود. این توان راکتیو که توسط یک کارگاه تولیدی از شبکه برق درخواست می شود، یکسری مشکلات برای شبکه برق مثل افزایش جریان، افزایش تلفات و افزایش مقطع سیم ها و کابل ها را ایجاد می کند. راه حلی که وجود دارد اضافه کردن خازن به مدار است. کاری که خازن انجام می دهد این است که خازن توان مورد نیاز سلف را تامین می کند. به این صورت که سلف با شبکه این تبادل توان راکتیو را ندارد بلکه با خازن این تبادل توان را انجام می دهد. به عملکرد خازن در این حالت اصلاح ضریب توان می گویند. در اصطلاح ما کارگاه را با خازن اصلاح می کنیم.
روش های مختلفی برای اتصال خازن در شبکه این کارگاه وجود دارد. ولی چون موتورها و ترانس های این واحد صنعتی به صورت مداوم خاموش و روشن می شوند و نیاز به مقدار خازن متفاوت است بهترین روش، روش متمرکز است.
در این روش به کمک دستگاهی با نام رگولاتور خازنی تشخیص می دهیم چه مقدار خازن بر حسب بارهای سلفی کارگاه مورد نیاز است.
مزایای تابلوهای بانک خازنی به زبانی ساده :
با پیشرفت تکنولوژی استفاده از ترانس ها، سیم پیچ ها و موتور ها رونق بسیار گرفته است. هر عنصری که از سیم پیچ تشکیل شده باشد علاوه بر قدرت اکتیو، قدرت راکتیو نیز مصرف می کند.
وجود مصرف کننده هایی مثل انواع موتور ها، پمپ های آب، چک های مهتابی، ترانس های لامپ ها و پرژکتور ها، آسانسورها و … باعث افزایش مصرف قدرت راکتیو شده است.
انرژی مصرف شده توسط این عناصر را می توان با نصب خازن موازی در مدار جبران و خنثی کرد.
انرژی مصرف شده توسط این عناصر را می توان با نصب خازن موازی در مدار جبران و خنثی کرد.
نصب خازن در نزدیک محل مصرف انرژی علاوه بر تخلیه شبکه از انتقال این توان باعث صرفهجویی های بسیاری نیز می گردد:
کاهش افت ولتاژ: خازن ها به دلیل خنثی کردن جریان پیش فاز عناصر القایی جریان مصرف شده کل را کم می کنند و کم شدن این جریان باعث کم شدن تلفات در سیم ها و کاهش افت ولتاژ در سیم ها می شود.
استفاده کردن از کل آمپراژ برق خریداری شده: به دلیل کاهش جریان مصرفی توضیح داده در بند ۱ می توان جریان بیشتری از شبکه برق درخواست کرد بدون آنکه هزینه اضافی جهت خریداری کردن این جریان پرداخت شده باشد.
کاهش بیش از نیمی از هزینه قبوض برق: هنگامی که خازن در محل مصرف وجود نداشته باشد. کنتور راکتیو اداره برق علاوه بر کنتور اکتیو شروع به محاسبه هزینه برق می کند.
هزینه محاسبه شده توسط کنتور راکتیو تقریبا برابر کنتور اکتیو و در بعضی موارد از آن نیز بیشتر می باشد.
یعنی بدون وجود تابلوهای بانک خازنی هزینه برق مصرفی تقریبا ۲ برابر بیشتر از زمانی است که تابلو های بانک خازنی وجود دارند.
با توجه به مطالب فوق مشخص می شود که استفاده از تابلوهای بانک خازنی امری بهینه از نظر اقتصادی بوده و حتی می توان گفت که نصب این تابلوها در محیط های صنعتی لازم و واجب است.
شایان ذکر است که هزینه ای که جهت تهیه تابلوهای بانک خازنی صرف می شود در کمتر از یک سال از طریق صرفه جویی که در پرداخت هزینه برق به وجود می آید، به کارفرما باز گردانده می شود.
نقشه اتصالات یک تابلوی بانک خازنی به صورت شکل زیر است.
رگولاتور موجود در نقشه یک نمونه جریان به کمک ترانس CT از شبکه و یک نمونه ولتاژ از خط اصلی گرفته و از این دو پارامتر جهت محاسبه ضریب توان استفاده می کند. این رگولاتور دارای ۶ خروجی است که به ۶ عدد کنتاکتور متصل شده اند. این کنتاکتورها توسط فیوزها به خط اصلی جریان کارگاه متصل شده اند. رگولاتور بر اساس ضریب توان موجود و ضریب توان مطلوب دستور قطع و وصل کنتاکتورها را صادر کرده تا خازن ها وارد مدار شده و ضریب توان مطلوب حاصل شود.
برای ساخت بانک خازنی به تجهیزات زیر نیاز داریم:
- خازن
- کنتاکتور خازنی
- فیوز
- رگولاتور
- کلید اصلی
- سری پوش باتن ها
- لامپ سیگنال
- فن خنک کننده
- ترمینال و قفل ترمینال
- سکسیونر فشار ضعیف (برای حفاظت)
- شین و لوله خرطومی و مقره
– توان راکتیو کمتری نسبت به آنچه مورد نیاز است به مدار تزریق می شود، که باعث جبران سازی ناقص توان راکتیو مصرفی بار می شود. به ناچار کمبود توان راکتیو از طریق شبکه تامین می شود که هزینه ها و جریمه های مصرف راکتیو را در بر خواهد داشت.
– توان راکتیو بیشتری نسبت به آنچه مورد نیاز است به مدار تزریق می شود که اضافه ولتاژ را به همراه خواهد داشت.
درصد اضافه ولتاژی که با وارد شدن Q کیلو وار به مدار بدون حضور هیچ باری پدید می آید از رابطه زیر بدست می آید:
که در آن Uk درصد ولتاژ ترانسفورماتور و St قدرت ترانسفورماتور است.
مثال:
باری با قدرت ۳۰۰ کیلو وات و ضریب توان ۰٫۷ به وسیله ترانسفورماتوری با ولتاژ اتصال کوتاه ۴% و قدرت ۶۳۰ کیلو ولت آمپر تغذیه می گردد. توسط بانک خازنی به ظرفیت ۲۰۰ کیلو وار ضریب توان بار به ۰٫۹۵ اصلاح می گردد تا قبل از جبران سازی ولتاژ محل مصرف برابر ۳۸۹٫۷ ولت و پس از جبران سازی ولتاژ به ۳۹۵ ولت افزایش می یابد. حال اگر بار به نصف کاهش یابد ولی رگولاتور صحیح عمل نکرده و ۲۰۰ کیلو وار خازن در مدار باقی بماند ولتاژ محل تغذیه به ۴۰۰ ولت افزایش می یابد. اگر ترانسفورماتور تحت بار کامل بود و با جبران سازی مناسب ضریب توان به ۰٫۹۵ اصلاح می گشت و به دلیل خرابی یا تنظیم نا صحیح رگولاتور با نصف شدن بار پله ای از مدار خارج نمی گردید. اضافه ولتاژ حاصل برابر ۲٫۸% معادل ۱۱ ولت می بود.
در طراحی بانک های خازنی سه موضوع زیر مد نظر قرار می گیرند:
– محاسبه ظرفیت مورد نیاز خازن
– تعیین ظرفیت پله اول و آرایش پله ها
– گزینش تجهیزات بانک خازنی
محاسبه ظرفیت مورد نیاز خازن:
بهترین روش برای محاسبه ظرفیت بانک خازنی استفاده از منحنی تغییرات توان اکتیو و ضریب توان بر حسب زمان است. در شرایطی که چنین منحنی هایی در دست نباشد، معمولا با استفاده از میزان قدرت قراردادی و ضریب توان نامی بر اساس فرمول زیر مقدار راکتیو مورد نیاز را بدست می آورند.
تعیین ظرفیت پله اول و آرایش پله ها:
در صورت در دست داشتن منحنی تغییرات توان اکتیو بر حسب زمان با استفاده از شیب منحنی می توان ظرفیت اولین پله را تعیین کرد. در صورت در دست نبودن این منحنی از دو قانون زیر می توان استفاده کرد:
الف) در صورتی که لازم باشد رگولاتور به ۵% تغییرات بار پاسخ دهد، پله اول را ۵% ظرفیت کل تابلو انتخاب می نمایند. مثلا در یک بانک ۲۰۰ کیلواری با پله اول ۱۰ کیلو وار که باری با ضریب توان ذاتی ۰٫۷ را جبران می کند، به ازای هر ۱۵کیلو وات تغییر در بار,یک پله وارد یا خارج می شود (ضریب توان مطلوب ۰٫۹۵ فرض شده است).
ب) در صورت عدم نیاز به تنظیم دقیق یا تغییرات دقیق بزرگ بار برای آن که رگولاتور به ۱۰% تغییرات بار پاسخ دهد لازم است پله اول ۱۰% ظرفیت کل انتخاب گردد. بدین معنی که در شرایطی مانند حالت (الف) به ازای هر ۳۰ کیلو وات تغییر در میزان توان ۲۰ کیلوار به مدار وارد یا خارج می گردد.
آرایش پله ها:
شرایط قانون (الف) را در نظر می گیریم. پله اول برابر ۱۰ کیلو وار می باشد. برای رسیدن به ظرفیت ۲۰۰ کیلووار به ۲۰ عدد پله ۱۰ کیلو وار نیاز داریم که تعداد بسیاری است و در هنگام ساخت بانک باعث افزایش قیمت تمام شده می شود، روش دیگر استفاده از توالی…۱:۲:۲:۲است. در این صورت تعداد پله ها به ۱۰ کاهش می یابد ولی نمی توانیم به ظرفیت ۲۰۰ کیلوار برسیم. تنها راه حل نصب یک پله ثابت ۲۰ کیلو وار است. این روش، روش مناسبی نمی باشد. محدودیتی که مشاهده شد انگیزه ای برای ایجاد دیگر آرایش ها و توالی های پله خازنی گشت و آرایش هایی مانند: …۱:۲:۲:۴:۸ و ۱:۲:۴:۸:۸:۸ به وجود آمد. اخیرا رگولاتورهایی طراحی گشته اند که می توانند آرایش ۱:۲:۴:۸:۱۶:۳۲:۶۴را پشتیبانی کنند که با چنین رگولاتورهایی می توان بانکی به ظرفیت ۱۲۷۰ کیلو وار با پله اول ۱۰ کیلو وار ایجاد نمود.
گزینش تجهیزات بانک خازنی:
خازن بر خلاف دیگر تجهیزات برقی همیشه تحت اضافه بار است. حضور تنها درصد ناچیزی، هارمونیک یا اعوجاج در ولتاژ محل تغذیه باعث اضافه جریان در خازن می گردد. بر این اساس در استاندارد تعیین شده است که خازن ها باید حداقل ۳۵% اضافه جریان را به صورت دائمی تحمل کند. با توجه به این مطلب که خازن همیشه تحت اضافه بار (به ویژه اضافه جریان است) و جریان خازن از فیوز و شینه و کنتاکتور عبور می کند لازم است تمامی تجهیزات خازن بر اساس ۳۰% اضافه جریان انتخاب گردند.
به عنوان مثال برای انتخاب کنتاکتور و فیوز برای یک پله ۱۲٫۵ کیلو وار به صورت زیر عمل می شود:
جریان نامی خازن ۱۲٫۵ کیلووار=۱۸ آمپر
جریان معیار طراحی ۲۳٫۴=۱٫۳×۱۸ آمپر
کنتاکتور، سیم و فیوز مناسب اولین رنجی است که جریان نامی آن برابر یا بیشتر از ۲۳٫۴ آمپر باشد.
چند نکته:
الف) برای افزایش طول عمر یک بانک خازنی قویا توصیه می گردد که از کنتاکتورهای تیپ AC6-b استفاده شود. در صورت استفاده از کنتاکتورهای AC3 در لحظه وصل خازن پیک جریان هجومی از رابطه زیر محاسبه می گردد.
که در آن St قدرت ترانسفورماتور، In جریان نامی پله خازن Uk، ولتاژ اتصال کوتاه ترانسفورماتور و Q ظرفیت نامی پله خازنی است.
مثال:
یک خازن ۵۰ کیلو وار در سمت ۴۰۰ ولت یک ترانسفورماتور ۲۰ به ۶٫۴ کیلو وات نصب شده است. اگر مشخصات ترانسفورماتور ۶۳۰ کیلو ولت آمپر و K= 4% باشد, در لحظه وصل جریانی با پیک ۳۱٫۵ کیلوآمپر معادل ۶۳۰ برابر جریان نامی به داخل خازن جاری می شود. حال اگر به جای یک ۵۰ کیلو وار از چهار عدد ۱۲٫۵ کیلو وار که به صورت موازی وصل شده اند استفاده شود. پیک جریان هر خازن به ۷٫۹ کیلو آمپر معادل ۴۳۷ برابر جریان نامی به داخل خازن جاری می شود. در جدول ذیل مقایسه ای بین حالت های متفاوت در گزینش تجهیزات جانبی انجام پذیرفته است.
ب) براساس استاندارد وظیفه فیوز در بانک های خازنی تنها قطع اتصال کوتاه است و نمی تواند وظیفه حفاظت در برابر اضافه بار (جریان) را بر عهده بگیرد و حفاظت در مقابل اضافه بار (جریان) بر عهده رگولاتور است.
از موارد دیگر مطرح در طراحی بانک خازنی می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
– گزینش فیورهای حفاظتی که به صورت سری در یک بانک خازنی قرار می گیرند
– حداکثر ظرفیت مجاز یک پله رگولاتور
– تنظیم رله های هارمونیکی تعبیه شده در رگولاتور
– اصول تنظیم رله اضافه جریان
– حفاظت در برابر اعوجاجات
– هماهنگی بین سیستم مخابراتی و بانک خازنی
– مساله انتفال حرارت در بانک های خازنی
– قدرت اتصال کوتاه تابلو
– بانک های خازنی با سرعت بسیار بالا Thyristor Capacitor Bank
– جبران سازی بارهای موتوری
برای مشاهده کتاب برآورد بار و محاسبات مولدهای برقی، اینجا کلیک کنید.
