بانک خازنی, مقالات
کنترل کننده ضریب توان ( رگولاتور خازنی)
آگوست
کنترل کننده ضریب توان ( رگولاتور خازنی)
در این مقاله قصد داریم در مورد کنترل کننده ضریب توان صحبت کنیم.
فهرست مطالب
- 1- مقدمه
- 2- توان راکتیو
- 3- ضریب توان
- 4- کنترل کننده ضریب توان
- 5- بانک خازنی
1- مقدمه
در دنیای پیچیده انرژی امروزی، بارهای راکتیو در شبکه همچنان در حال افزایش هستند چراکه، افزایش توان ترانسفورماتورها، خطوط انتقال و ژنراتورها باعث افزایش توان راکتیو میشود.
از این رو، کنترل بارهای راکتیو به یک ضرورت تبدیل شده‌است و کنترل کننده ضریب توان، نقش مهمی در سیستم های تصحیح توان راکتیو ایفا می‌کند. اما، کنترل کننده ضریب توان چگونه کار می‌کند؟
در این مقاله قصد داریم با توضیح مفاهیم پایه و پیش نیاز، به تعریف و کاربرد کنترل کننده ضریب توان بپردازیم.
پس با ما همراه باشید.
2- توان راکتیو
توان راکتیو در بسیاری از بارها، برای تامین جریان مغناطیسی در موتورها، ترانسفورماتورهای قدرت، ماشین‌های جوشکاری، کوره‌های قوس الکتریکی، سلف‌ها و بالاست های روشنایی مورد نیاز‌است.
اگرچه، توان مفیدی نیست، اما تامین آن برای تجهیزات بسیار ضروری‌است و باید کنترل شود. واضح است که شرکت برق باید هم توان اکتیو و هم توان راکتیو را تولید، انتقال و توزیع کند. اما، اگر توان راکتیو بتواند از منبع دیگری تامین شود، شرکت برق می‌تواند انرژی پاک‌تری تولید کند.
که در این نقطه، برای کنترل توان راکتیو به صورت خودکار، به بانک های خازنی و یک کنترل کننده ضریب توان نیاز‌ست.
3- ضریب توان
ضریب توان، معیاری‌است از میزان استفاده موثر از توان ورودی در سیستم الکتریکی (بازده انرژی) که به عنوان نسبت توان اکتیو به توان ظاهری (کل) تعریف میشود.
توان اکتیو (kW)، توانی‌است که نیروی لازم برای تجهیزات را فراهم و کار مفید و سازنده ای را انجام می‌دهد؛ و به آن توان واقعی، یا توان کاری نیز می‌گویند و همانطور که در بخش قبل اشاره‌شد، توان راکتیو (kVAr)، توان مورد نیاز برخی تجهیزات (مانند ترانسفورماتورها و موتورها) برای ایجاد میدان مغناطیسی، جهت انجام کار واقعی‌است.
توان ظاهری (kVA)، مجموع برداری توان اکتیو (kW) و توان راکتیو (kVAR) است.
این توان، در واقع کل توان تامین شده از شبکه است که برای تولید توان اکتیو مورد نیاز بار، ضروری‌است.
ضریب توان، نسبت توان اکتیو مصرف شده در مدار را به توان ظاهری تحویل شده به مدار بیان می کند و عددی بین صفر و یک‌است. معمولا، کل تقاضای برق در شبکه بیشتر از توان اکتیواست هر چه ضریب قدرت بیشتر باشد، سایت مورد نظر در استفاده از برق عرضه شده، کارآمدتر‌است.
ضریب توان ایده آل برابر با یک‌است و به این معنی است که تمام انرژی تامین شده توسط منبع، بوسیله بار، مصرف شده‌است هر ضریب توانی کمتر از یک، به این معنا است که برای دستیابی به هدف مورد نظر به توان اضافی نیاز‌است. ضریب توان، معمولاً برای نشان دادن علامت زاویه فاز نیز استفاده میشود.
بارهای خازنی پیشرو (ولتاژ جلوتر از جریان)، و بارهای القایی دارای تاخیر (ولتاژ عقب تر از جریان) هستند در ادامه به فرمول ها و تعاریف مختلف ضریب توان از منظر ریاضی می پرازیم.
1) نسبت بین توان اکتیو و توان ظاهری بر حسب ولت آمپر نیز ضریب توان نامیده میشود Cosθ = P ÷ S یا توان ظاهری/ توان اکتیو = Cosθ = kW ÷ kVA
که در آن:
kW = P = توان اکتیو بر حسب کیلو وات
kVA = S = توان ظاهری بر حسب کیلو ولت آمپر یا وات
Cosθ = ضریب توان
2) کسینوس زاویه بین جریان و ولتاژ را ضریب توان می‌نامند. P = VI Cosθ یا Cosθ = P ÷ V I یا توان ظاهری/ توان اکتیو= Cosθ = kW ÷ kVA
که در آن:
- P = توان بر حسب وات
- V = ولتاژ بر حسب ولت
- I = جریان بر حسب آمپر
- W = توان اکتیو بر حسب وات
- VA = توان ظاهری بر حسب ولت آمپر یا کیلو ولت آمپر
- Cosθ = ضریب توان
کنترل کننده ضریب توان ( رگولاتور خازنی)
3) نسبت بین مقاومت و امپدانس در مدار AC به عنوان ضریب توان شناخته میشود و Cosθ = R ÷ Z
R = مقاومت بر حسب اهم (Ω)
Z = امپدانس (مقاومت در مدارهای AC شامل، XL، XC و R است که به ترتیب به عنوان راکتانس القایی، راکتانس خازنی و مقاومت شناخته می‌شوند) و بر حسب اهم (Ω) است.
Cosθ = ضریب توان
امپدانس “Z” مقاومت کل مدار AC است، به عبارتی:
Z = √ [R2 + (XL + XC)2]
XL = 2πfL
XC = 1 ÷ 2πfC
L (اندوکتانس)، برحسب هانری.
C (ظرفیت خازنی)، بر حسب فاراد.
4) ضریب توان در مدارهای متناوب سه فاز:
Cosθ = P ÷ √3 VL × IL
IL= جریان خط و
VL= ولتاژ خط
Cosθ = P ÷ √3 VP × IP
IP = جریان فاز و VP= ولتاژ فاز
قیاس نوشابه
با توجه به اینکه مفهوم ضریب توان بسیار مهم‌است، در این بخش می‌خواهیم با قیاس ساده نوشابه، مفهوم ضریب توان را بهتر درک کنیم. فرض کنید که یک لیوان نوشابه دارید. بخش قابل آشامیدن نوشابه با توان اکتیو (کیلووات) نشان داده‌می‌شود. علاوه براین، در لیوان نوشابه شما، کمی گاز نیز وجود دارد که تشنگی شما را برطرف نمی کند، و با توان راکتیو (kVAR) نشان داده‌می‌شود. بنابراین، مجموع محتویات لیوان شما برابر KVA، مجموع نوشابه برابر kW و گاز آن برابر kVAR است.
در نتیجه، در یک منبع تغذیه معین (kVA):
هرچه گاز بیشتری وجود داشته باشد (هر چه درصد kVAR بیشتر باشد)، نسبت kW (نوشابه) به kVA (نوشابه و گاز) کمتر‌است. بنابراین، ضریب توان شما ضعیف تر‌است هرچه گاز کمتری وجود داشته باشد (درصد kVAR کمتر باشد)، نسبت kW (نوشابه) به kVA (نوشابه و گاز) بیشتر است و ضریب توان شما بهتر‌است.
وقتی مقدار گاز (یا kVAR) نوشابه به صفر می رسد، ضریب توان شما به مقدار ایده آل خود، یعنی یک نزدیک تر میشود حال که با مفاهیم پیش نیاز در کنترل کننده توان آشنا شدیم، می توانیم در ادامه به بررسی آن بپردازیم. ابتدا با تعریف آن شروع میکنیم.
4- کنترل کننده ضریب توان
4-1- کنترل کننده ضریب توان چیست؟
کنترل کننده ضریب توان (PFC) واحد کنترل یک سیستم بانک خازن خودکار‌است که در واقع، سوئیچینگ خازن ها را برای رسیدن به هدف تعریف شده توسط کاربر، یعنی cos ɸ مورد نظر، انجام می‌دهد.
ادغام یک کنترل کننده ضریب توان، موجب بهینه سازی فرآیندها، سرعت بخشیدن به عیب یابی و کاهش هزینه های سیستم های نظارت شده‌می‌شود.
کنترل کننده های ضریب توان، توان راکتیو یک نیروگاه را کنترل می کنند و سعی می کنند مقدار ضریب توان را که به عنوان نسبت توان اکتیو (W) به توان ظاهری (VA) به مقداری که در پایان، توسط کاربر بر روی دستگاه تعریف می شود، مطابقت دهند این کنترل کننده‌ها دارای یک رابط کاربری با نمایشگر منو محور ساده، برای حداکثر سهولت کار هستند.
نمایش پارامترهای مختلف شبکه، ذخیره مقادیر مختلف و امکان اجرای آزمایشی، تجزیه و تحلیل خطاها و نظارت بر سیستم را بسیار آسان می کند کنترل کننده های پیشرفته ضریب توان، دارای ویژگی های “اتصال متوالی” و “اتصال حلقه” هستند.
اتصال متوالی، شامل اتصال و جدا کردن مراحل به ترتیب (آخرین ورود، اولین خروج) است و توان هر مرحله بر اساس توان کم آن است.
اتصال حلقه، شامل اتصال و قطع مراحل یکی پس از دیگری‌است. کنترلر، در حالت حلقه (اول در اولین خروجی) کار می‌کند که فرسودگی بانک خازن را به حداقل می‌رساند یعنی زمانی که اندازه مراحل برابر است، مرحله با طولانی ترین زمان قطع، همیشه در پشت سر متصل میشود.
4-2- عملکرد کنترل کننده ضریب توان
کنترل کننده ضریب توان، به طور دائم توان راکتیو و ضریب توان را کنترل می‌کند.عمل کنترل، با اتصال و قطع بانک های خازن قدرت انجام‌می‌شود.هنگامی که ضریب توان کاهش می‌یابد، کنترل کننده، خازن‌ها را به صورت متوالی فعال می‌کند.
اگر ضریب توان کمتر از مقدار تایید شده‌باشد، ریزپردازنده کنترلر، دستور روشن کردن رله را صادر می‌کند با روشن شدن رله، یک گروه خازن به مدار اضافه می شود که ضریب توان را بهبود می‌بخشد. خازن ها بار راکتیو را به مدار اضافه می کنند که به افزایش ضریب توان کمک می کند. کنترل کننده به اضافه کردن خازن ها به موازات بار ادامه می‌دهد تا زمانی که به مقدار مناسبی از ضریب توان دست یابد. کنترلر علاوه بر تصحیح ضریب توان، پارامترهای الکتریکی مانند جریان، ولتاژ، توان، انرژی، تقاضا و مقادیر حداکثر/حداقل را نشان می‌دهد. در واقع، کنترلر همانند مغز سیستم تصحیح قدرت‌است.
4-3- نکات مهم در انتخاب کنترل‌کننده ضریب توان
اگر می‌خواهید یک کنترل کننده ضریب توان برای برنامه خود انتخاب کنید، باید پارامترهای زیر را در نظر بگیرید:
- تعداد بانک های خازنی باید در نظر گرفته شوند.
- نصب آن باید آسان‌باشد.
- منوی کنترلر باید در دسترس و استفاده از آن آسان باشد.
- امکان انتخاب زبان های مختلف را داشته‌باشد.
- ولتاژ منبع تغذیه باید گسترده‌باشد.
- نباید تحت تأثیر هارمونیک های الکتریکی قرار گیرد.
- در صورت نیاز به ارتباط، باید گزینه‌های ارتباطی وجود داشته‌باشد.
- باید یک خروجی برای هشدار داشته‌باشد.
- قابلیت ذخیره پارامترها بسیار ضروری‌است.
- در دسترس بودن حالت های اتوماتیک و دستی مهم‌است.
4-4- مزایای کنترل کننده ضریب توان
مزایای اصلی کنترل کننده ضریب توان به شرح زیر‌است:
- مصرف توان راکتیو کم
- عمر طولانی تجهیزات.
- کارایی سیستم قدرت.
- کاهش قبوض برق برای خانوارها و صنایع.
- خرابی کمتر.
- مصرف انرژی کم.
- تجهیزی آسان، برای نظارت بر پارامترها.
5- بانک خازنی
همانطور که در بخش قبل بیان شد، یکی از راه‌های اصلاح ضریب توان، استفاده از بانک خازنی‌است.از این رو، برای آشنایی بیشتر با این تجهیز، در ادامه مختصری در مورد آن صحبت میکنیم.
5-1- مقدمه
دنیای مدرن الکترونیک ما به انرژی زیادی نیاز دارد. برای پاسخگویی به این تقاضا، انرژی باید به صورت الکتریکی ذخیره شود تا دسترسی به آن آسان باشد. خازن ها، برای ذخیره انرژی الکتریکی زیاد و همچنین، تنظیم جریان انرژی (در صورت نیاز) ایده آل هستند.
5-2- بانک خازنی
همانطور که از نام آن پیداست، یک بانک خازن صرفاً مجموعه ای از چندین خازن با رتبه یکسان است بسته به رتبه مورد نظر، بانک های خازنی ممکن است به صورت سری یا موازی متصل شوند. همانند یک خازن منفرد، از بانک های خازنی برای ذخیره انرژی الکتریکی و تنظیم جریان آن انرژی استفاده می شود. افزایش تعداد خازن ها در یک بانک باعث افزایش ظرفیت انرژی قابل ذخیره در یک دستگاه می شود. نماد یا نمودار اصلی بانک خازنی در شکل زیر نشان داده شده است.
عموما در پست برق، از بانک خازنی برای افزایش ضریب توان و جبران توان راکتیو استفاده‌می‌شود هنگام نصب بانک خازنی در یک پست، باید برخی از مشخصات مانند رتبه بندی ولتاژ، درجه حرارت، رتبه بندی KVAR و محدوده دستورالعمل اولیه را در نظر گرفت. هر بانک خازنی با توجه به نوع و کاربردش اجزای متفاوتی دارد که شامل: خازن سه فاز، رگولاتور بانک خازنی، کنتاکتور خازنی، کلید و فیوز است.
5-3- انواع بانک خازنی
به طور کلی، یک واحد بانک خازنی به عنوان یک واحد خازن شناخته میشود. ساخت این واحدها، مشابه واحد تک فاز قابل انجام است. این واحدها عمدتاً به شکل یک اتصال ستاره/مثلث به هم متصل می‌شوند تا یک بانک خازن کامل سه فاز را ایجاد کنند. در حال حاضر اغلب واحدهای خازن موجود از نوع تک فاز هستند، و واحدهای خازن سه فاز به ندرت ساخته‌ی‌شوند.
در حالت کلی سه نوع بانک خازنی وجود دارد که عبارتند از:
- Internally Fused (1
- Externally Fused (2
- Fuse Less (3
5-4- محاسبه بانک خازنی
هدف اصلی ماشین حساب بانک خازنی بدست آوردن kVAR لازم برای افزایش ضریب توان (pf) از محدوده کم به زیاد‌است.برای این منظور، مقادیر مورد نیاز عبارتند از؛ ضریب توان فعلی، توان اکتیو، و مقدار ضریب توانی که باید بر روی سیستم افزایش یابد. اگر بخواهیم مقدار را در VAR یا MVAR اندازه گیری کنیم، توان اکتیو باید بر حسب W یا MW باشد. به عنوان مثال، اگر مقدار بر حسب kW استفاده شود، شما می توانید مقدار را به سادگی برحسب kVAR دریافت کنید. به طور مشابه، برای W و MW هم کار می‌کند. توان راکتیو مورد نیاز مانند Q(kVR)، معادل توان اکتیو مانند P(kW) است.
در ادامه فرمول ماشین حساب بانک خازنی نشان داده شده‌است.
- (kVAR) = P(kW) * tan (cos-1(PF1) – cos-1(PF2)) توان راکتیو مورد نیاز
- (VAR) = P(W) * tan (cos-1(PF1) – cos-1(PF2)) توان راکتیو مورد نیاز
- (MVAR) = P(MW) * tan (cos-1(PF1) – cos-1(PF2)) توان راکتیو مورد نیاز
5-5- تست بانک خازنی
بانک های خازنی در سیستم قدرت، تصحیح ضریب توان دقیق (pf) را ارائه‌می‌دهند. بنابراین واحد تصحیح ضریب توان، شامل تنظیمات عملکرد متفاوت بر اساس موقعیت نصب است. عوامل مختلف مانند زمان، رطوبت، تغییرات دما و هارمونیک ها باعث تغییر ضریب توان در بانک های خازنی میشود. اگر، بانک های خازنی متصل شده به درستی در یک زمان خاص آزمایش نشوند، استفاده از آن ها امکان نخواهد شد.
چراکه، عملکرد خازن می‌تواند ضعیف شود. از این رو، برای بررسی شرایط بانک خازنی، سه نوع آزمایش انجام میشود که عبارتند از: تست‌های نوع یا تست‌های طراحی، تست‌های روتین یا تولید و پیش راه‌اندازی، و آزمایش‌های میدانی.
5-6- کاربردهای بانک خازنی
از کاربردهای بانک های خازنی می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- 1) بانک‌های خازنی عمدتاً برای افزایش کیفیت تامین برق و همچنین افزایش کارایی سیستم های قدرت استفاده می‌شوند.
- 2) آنها بیشتر برای اصلاح منبع تغذیه AC در صنایعی که از موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتور استفاده می شود، کاربرد دارند.
- 3) از آنجایی که این بانک از یک بار القایی استفاده می‌کند، در برابر تاخیر ضریب توان و جابجایی فاز در منبع تغذیه آسیب پذیر است، بنابراین باعث کاهش کارایی سیستم میشود.
- 4) با حضور بانک خازنی در سیستم، می توان با ایجاد تغییراتی در شبکه برق، تاخیر برق را با هزینه کمتری برای سازمان حل کرد.
- 5) بانک‌های خازنی در رادارها، لیزرهای پالسی، ژنراتورهای مارکس، چاشنی‌ها، تحقیقات همجوشی، سلاح‌های هسته‌ای، تفنگ‌های ریلی الکترومغناطیسی و غیره استفاده می‌شوند.
- 6) به طور کلی، بانک‌های خازنی، اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ را کاهش می‌دهند.
- و می‌توانند ضریب توان (pf) را نزدیک به یک حفظ کنند.
مراجع
PFC (power factor correction or power factor controller)
?What is Power factor controller and how it works
What is Power Factor (Cos ϕ) ? Cos fi or P.F Definition & Formulas
What is a Capacitor Bank : Types & Its Connections