آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان (PF)
بانک خازنی یکی از متداولترین راهکارها برای جبران توان راکتیو و بهبود ضریب توان (Power Factor) در سیستمهای صنعتی است. هدف اصلی طراحی و نصب بانک خازنی، تأمین انرژی راکتیو مورد نیاز بارها و جلوگیری از کمبود یا اضافه ولتاژ در شبکه است. با توجه به نوسانات بار، باید توان راکتیو تزریقی قابل تغییر باشد تا همیشه ضریب توان مطلوب (مثلاً ۰٫۹۵) حفظ شود. در صورت کمبود توان راکتیو، تلفات شبکه افزایش و جبرانسازی ناقص میشود.
برعکس تزریق بیش از حد توان راکتیو میتواند سبب اضافه ولتاژ گردد. آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان کمک میکند ظرفیت، پلهبندی و تجهیزات حفاظتی را دقیق و اقتصادی انتخاب کنید. اصلاح ضریب توان با خازن، نه تنها تلفات خطوط انتقال و هزینههای مصرف برقی را کاهش میدهد، بلکه فرآیندهای تولید را نیز پایدارتر میسازد.
اصول طراحی انواع بانک خازنی
برای کاهش مصرف توان راکتیو، معمولاً از خازنهای شنت (تکفاز) استفاده میشود که به موازات شبکه نصب شده و توان راکتیو را به مدار تزریق میکنند. محل نصب خازن، نوع آرایش و ولتاژ کاری باید متناسب با نوع مصرف و ساختار شبکه انتخاب شود. بهطور ایدهآل، بهترین محل نصب خازن از نظر الکتریکی نزدیکترین نقطه به بار و بهصورت نقطهای برای هر بار مجزا است.
اما این روش به دلیل هزینه بسیار بالا و پیچیدگی نگهداری، عملاً قابل اجرا نیست. بنابراین در عمل اغلب از ترکیبی از روشهای نقطهای، گروهی و مرکزی استفاده میشود تا تعادلی بهینه بین کارایی و هزینه ایجاد شود. آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان دقیقاً روی همین انتخاب محل نصب، آرایش بهینه و کاهش تلفات داخلی تمرکز دارد.
خازن سه فاز فراکو 25 کیلووار فراکو در 440 ولت ( 20 در 400) LKT25-440DB
خازن 7.5 کیلووار فشار ضعیف فراکو LKT7.5-400DB
خازن سه فاز 15 کیلووار فراکو LKT15-400DP
خازن 30 کیلووار فشار ضعیف فراکو LKT30-400DB
خازن سه فاز 9.1 کیلووار فراکو در 440 ولت ( 7.5 در 400) LKT9.1-440DL
بانک خازن محلی (نقطهای)
در بانک خازنی محلی (نقطهای)، برای هر بار (بار مصرفی) یک خازن اختصاص مییابد. از مزایای این روش میتوان به هزینه اصلاح پایین (کمترین هزینه بهازای هر کیلووار)، جبران کامل توان راکتیو و کاهش تلفات شبکه داخلی اشاره کرد. اما معایب آن نیز قابل توجه است: هزینه نصب و نگهداری بالاست و به خازنهای متنوع با اندازههای مختلف نیاز است (برای هر بار یک پله خازن). بدین ترتیب بانک محلی برای بارهای بزرگ صنعتی مناسب است، اما در عمل به دلیل محدودیتهای اقتصادی و فضا کمتر اجرا میشود.
بانک خازنی گروهی
در بانک خازنی گروهی، چند بار همزمان (مثلاً کل بارهای یک فیدر یا چند قسمت مجزا از پروسه صنعتی) با هم جبران میشوند. یعنی خازنها برای یک مجموعه بار مجتمع نصب شده و همراه آن بارها وصل و قطع میشوند. این روش با حذف رگولاتورها و کنترلرهای اضافی، هزینههای سختافزاری را کاهش میدهد و تلفات شبکه داخلی را نسبت به حالت بدون خازن کاهش میدهد. با این حال، بانک گروهی تأثیری روی تلفات داخلی بارهای مستقل (نسبت به حالت محلی) ندارد و هزینهی نصب و نگهداری آن بالا است.
بانک خازنی مرکزی
بانک خازنی مرکزی به گونهای است که جبران ضریب توان چند بار توزیعشده (مثلاً کل بارهای یک واحد صنعتی) تنها در یک نقطه انجام میشود. در این روش که اغلب برای شبکههای با بارهای پراکنده مناسب است، خازنها (به طور معمول چند پله) در یک تابلو مرکزی قرار میگیرند و یک رله کنترل توان راکتیو عمل قطع و وصل آنها را مدیریت میکند. مزیت اصلی این روش نگهداری آسان و هزینه نصب نسبتاً پایین است.
همچنین با توجه به استفاده از یک تابلو، معمولاً میزان کل خازن نصب شده کمتر بوده و مخصوصاً در جاهایی که ضریب همزمانی بارها پایین است، مناسب است. از معایب بانک مرکزی نیز میتوان به عدم کاهش تلفات داخلی شبکه و قیمت بالای هر کیلووار خازن نصبشده اشاره کرد. در بسیاری از پروژهها، آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان را با همین سناریوی تابلو مرکزی شروع میکنند چون رایجترین حالت صنعتی است.
طراحی بانک خازنی در شرایط بدون هارمونیک
در شرایط عادی و بدون توجه به اعوجاج هارمونیکی، طراحی بانک خازنی معادل در نظر گرفتن شبکهای با جریان و ولتاژ سینوسی است. در این حالت میتوان با روابط استاندارد توان اکتیو و راکتیو مقدار توان راکتیو مورد نیاز (Q) را محاسبه کرد و سپس ابعاد بانک را تعیین نمود. به طور کلی در طراحی موارد زیر اهمیت دارند: نحوه اتصال خازن، محاسبه ظرفیت Q مورد نیاز، تعیین ظرفیت اولین پله و آرایش پلهها، و انتخاب تجهیزات (فیوز، کابل، کنتاکتور). آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان زمانی کاربردی است که این چهار محور را بهصورت مرحلهای و قابل اجرا جلو ببرد.
نحوه اتصال خازن
انتخاب نوع اتصال خازن (ستاره یا مثلث) به ولتاژ محل نصب و سطح عایقی مورد نیاز بستگی دارد. معمولاً خازنهای سهفاز با سه خازن تکفاز ساخته میشوند؛ در شبکههای فشار ضعیف برای دستیابی به توان راکتیو بالاتر، این سه خازن تکفاز را به صورت مثلث به هم وصل میکنند. در حالی که در شبکههای فشار متوسط و قوی، به دلیل محدودیتهای عایقی بیشتر، معمولاً اتصال ستاره به کار میرود.
اتصال ستاره این امکان را میدهد که خازنها ولتاژ نامی بالاتری تحمل کنند. نکته دیگر اینکه اگر خازن در ولتاژی پایینتر از مقدار نامی خود کار کند، ظرفیت مؤثر آن کاهش مییابد؛ بهعنوان مثال یک خازن ۱۸ کیلووار ۴۸۰ ولتی وقتی روی ۴۰۰ ولت قرار گیرد، تنها معادل ۱۲٫۵ کیلووار عمل میکند. (توجه شود که عکس این حالت – یعنی استفاده خازن ۴۰۰ ولت روی شبکه ۴۸۰ ولت – به دلیل مسائل عایقی مجاز نیست.)
محاسبه ظرفیت مورد نیاز
بهترین روش محاسبه ظرفیت خازنهای مورد نیاز، استفاده از نمودار تغییرات توان اکتیو و ضریب توان شبکه بر حسب زمان است. از روی این نمودار میتوان زاویه توان (φ) در شرایط فعلی و مطلوب را بدست آورد و اختلاف تانژانتها را محاسبه کرد. چنانچه این نمودار در دسترس نباشد، میتوان با استفاده از توان قراردادی (P) و ضریب توان فعلی φ۱ و ضریب توان مطلوب φ۲ از رابطه معروف زیر Q مورد نیاز را به دست آورد:
Q = P × (tanφ1 − tanφ2)
گام اول: توان راکتیو کل مصرفی بارها (جمع توان راکتیو بارها) یا اختلاف تانژانتهای زاویه توان را محاسبه کنید.
گام دوم: ضریب توان مطلوب (مثلاً 0.95) را تعیین و Q را از روابط فوق محاسبه کنید.
در نهایت ظرفیت خازنها (بر حسب کیلووار) برابر مقدار Q محاسبهشده خواهد بود. این مقادیر باید به دستههای پلهای مناسب تقسیم شوند تا به روش قطعی توسط رگولاتور کنترل شوند. در این بخش، آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان باید روی دقت محاسبه Q و انتخاب پلهبندی برای کنترل پایدار تمرکز کند.
تعیین ظرفیت پله اول و آرایش پلهها
پس از محاسبه کل ظرفیت خازنی مورد نیاز، باید ظرفیت اولین پله و ترتیب ظرفیت پلهها مشخص شود. اگر منحنی تغییرات توان اکتیو بر حسب زمان موجود باشد، از شیب آن میتوان ظرفیت پله اول را تعیین کرد. اما در عمل معمولاً از قوانین تجربی زیر استفاده میشود:
اگر هدف پاسخگویی به ۵٪ تغییرات بار باشد، ظرفیت پله اول حدود ۵٪ ظرفیت کل در نظر گرفته میشود.
اگر پاسخ به تغییرات در سطح ۱۰٪ هدف باشد، پله اول را حدود ۱۰٪ ظرفیت کل انتخاب میکنند.
برای آرایش سایر پلهها معمولاً از توالیهایی مانند 1:2:2:4:8 یا 1:2:4:8:16 استفاده میشود. امروزه رگولاتورهای پیشرفتهتر تا توالیهای بزرگتری (مانند 1:2:4:8:16:32:64) را پشتیبانی میکنند که امکان ساخت بانکهای چندصد و یا هزار کیلوواری با پله اول کوچک را فراهم میآورد.
گزینش تجهیزات بانک خازنی (فیوز و کابلها)
انتخاب کابلها، فیوز و کنتاکتور در بانک خازنی باید بر اساس جریان گذرنده از خازن صورت گیرد. از آنجا که خازنها در حالت متصل، همواره اضافهجریان را تحمل میکنند (به ویژه جریان هجومی زمان وصل)، استانداردها تعیین کردهاند که خازنها باید حداقل ۳۵٪ اضافهجریان دائم را تحمل نمایند. بنابراین کابل، فیوز و کنتاکتور متناظری که در مسیر جریان خازن قرار دارند، معمولاً با ضریب ایمنی حدود ۱٫۳ نسبت به جریان نامی خازن انتخاب میشوند. برای مثال، برای یک پله خازنی ۱۲٫۵ کیلووار (جریان نامی ۱۸ آمپر) جریان طراحی برابر ۲۳٫۴ آمپر (۱٫۳×۱۸) در نظر گرفته شده و تجهیزاتی با رنج نامی ≥۲۳٫۴ آمپر انتخاب میگردند.
برای تحمل جریان هجومی هنگام وصل خازن نیز معمولاً از کنتاکتورهای کلاس AC6-b استفاده میشود. تقسیم ظرفیت کل به چند پله کوچکتر نیز اثر کاهش جریان هجومی هر خازن را در پی دارد؛ بهعنوان مثال، یک بانک ۵۰ کیلووار تکپله ممکن است پیک جریانی تا ۶۳۰ برابر جریان نامی داشته باشد، اما اگر آن را به چهار پله ۱۲٫۵ کیلووار تقسیم کنیم، جریان پیک هر خازن کاهش مییابد.
فیوزهای مورد استفاده در بانک خازنی عمدتاً برای قطع اتصال کوتاه طراحی شدهاند و حفاظت در برابر اضافهجریان اصلی بر عهده رگولاتور است. به همین دلیل، در انتخاب کابل و فیوز نیز جریان طراحی (≈In+۳۰٪) ملاک قرار میگیرد و حفاظت حرارتی بانک توسط رگولاتور بانک تامین میشود.
سوالات متداول طراحی بانک خازن
آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان از کجا شروع میشود؟
از اندازهگیری یا استخراج توان اکتیو (P)، ضریب توان فعلی (cosφ1) و تعیین ضریب توان هدف (cosφ2، معمولاً 0.95). سپس با محاسبه Q مورد نیاز، ظرفیت کل بانک خازنی (kVAr) مشخص و بعد پلهبندی، آرایش پلهها و انتخاب تجهیزات انجام میشود.
2) در آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان، فرمول اصلی محاسبه ظرفیت خازن چیست؟
فرمول رایج این است:
Q = P × (tanφ1 − tanφ2)
که در آن P توان اکتیو (kW) و φ1 و φ2 زاویههای متناظر با ضریب توان فعلی و هدف هستند. خروجی Q ظرفیت جبران مورد نیاز بر حسب kVAr است.
3) بانک خازنی محلی، گروهی و مرکزی چه تفاوتی دارند و کدام بهتر است؟
محلی (نقطهای): نزدیک به هر بار؛ کاهش تلفات داخلی بهتر، اما نصب/نگهداری گرانتر و پیچیدهتر.
گروهی: برای چند بار یک فیدر یا بخش؛ هزینه کنترل کمتر، اما کاهش تلفات به اندازه حالت محلی نیست.
مرکزی: یک تابلو برای کل مجموعه؛ نگهداری آسانتر و معمولاً اقتصادیتر، اما تلفات داخلی شبکه را کمتر کاهش میدهد.
در عمل، بهترین انتخاب معمولاً ترکیبی است و به ساختار شبکه، پراکندگی بارها و ضریب همزمانی بستگی دارد.
4) در آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان، ظرفیت پله اول چقدر انتخاب میشود؟
قاعده عملی رایج این است که پله اول را ۵٪ تا ۱۰٪ ظرفیت کل در نظر بگیرند (بسته به میزان نوسانات بار). سپس برای پلههای بعدی از توالیهایی مثل 1:2:2:4:8 یا 1:2:4:8:16 استفاده میشود تا هم دقت کنترل بالا باشد و هم تعداد پلهها غیرمنطقی نشود.
5) اتصال ستاره بهتر است یا مثلث؟ در آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان کدام توصیه میشود؟
در فشار ضعیف معمولاً اتصال مثلث برای دستیابی به kVAr بالاتر رایجتر است.
در فشار متوسط/قوی غالباً اتصال ستاره به دلیل ملاحظات عایقی و تحمل ولتاژ مناسبتر است.
انتخاب نهایی به ولتاژ شبکه، سطح عایقی و طراحی سازنده خازن وابسته است.
6) انتخاب فیوز، کابل و کنتاکتور در آموزش طراحی بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان بر چه مبنایی است؟
مبنای اصلی، جریان خازن و همچنین جریان هجومی وصل است. معمولاً تجهیزات مسیر خازن با ضریب اطمینان حدود 1.3 (حدود ۳۰٪ بیشتر از جریان نامی) انتخاب میشوند. برای کنتاکتور هم معمولاً کلاس AC6-b جهت تحمل جریان هجومی توصیه میشود.
