بانک خازنی و ساخت آن

ساخت تابلو بانک خازنی

در این مقاله ما به صورت کامل راجع بانک خازنی شامل سازینگ، هارونیک، سایز کلید و فیوزها و تاثیر آنها بر درایوها و موتور القایی و اساس کار آن صحبت می‌کنیم.

زمانی که انرژی به یک هادی منتقل می‌شود پتانسیل آن بر اساس مقدار بار انتقالی افزایش پیدا می‌کند. در یک پتانسیل خاص یک هادی می‌تواند مقدار تعریف شده‌ای از بار را در خود ذخیره کند.

ویدیو آموزش سیم کشی بانک خازنی:

مقاله مرتبط:

تابلو بانک خازنی – مشخصات و کاربرد آن‌ها

کاپاسیتانس و یا ظرفیت خازنی نمادی برای نشان دادن قابلیت محدود یک هادی برای نگه داشت بار‌است.

• اجازه دهید بار داده‌شده به یک هادی را q را تعریف کنیم.
• V پتانسیلی‌است که افزایش پیدا کرده‌است.

سپس :

Q = CV

C یک عدد ثابت برای هادی است که بر اساس اندازه آن و ماده ی احاطه کرده آن مشخص‌می‌شود. این ثابت ظرفیت هادی نام‌دارد.

اگر V=1v باشد سپس C=Q برقرار‌شده و ظرفیت خازنی و یا کاپاسیتانس به عنوان مقدار بار الکتریکی جمع‌شده بر روی سطح هادی برای ایجاد 1 ولت تعریف‌می‌شود.

اگر V=1 باشد سپس C=Q می‌شود و اگر Q=1 باشد در نتیجه C=1F می‌شود. در نتیجه 1 فاراد ظرفیت یک خازنی‌است که بر اساس ولتاژ یک ولت می‌تواند به اندازه 1 کولن بار ذخیره‌می‌کند.

خازن :

خازن دستگاهی است که حجم بالایی از بار الکتریکی را می‌تواند در خود ذخیره کند. فرض کنید ظرفیت یک هادی برای ذخیره بار الکتریکی در ولتاژی مشخص محدود باشد. ظرفیت خازن را می توان بر اساس چیدمان می‌توان تغییر‌داد.

• بر اساس شکل ، نوع صفحات موازی ، سیلندر‌ها و … خازن در انواع گوناگون موجود‌است.
• در خازن دو هادی وجود‌دارد که دارای بار برابر + و – می باشند. Q بار خازن نامیده‌شده و اختلاف پتانسیل این دو صفحه ولتاژ نامیده‌می‌شود.

انواع اصلاح ضریب توان توسط بانک خازنی

اساس خازن

فرض کنید A یک هادی عایق‌شده با بار +q باشد. بدون حضور هر گونه هادی دیگر در اطراف A بار آن +q و پتانسیل آن V‌است. ظرفیت A اینک برابر با :

C=qv‌است.

خازن و انواع خازن‌| ثابت، متغیر، قطبی و غیرقطبی

اگر یک هادی دیگر B نزدیک به A نگه داشته‌شود القای الکترواستاتیک رخ می‌دهد. –q در سمت نزدیک B و +q در سمت دور این هادی القا می‌شود و چون B  زمین شده‌است بار +q به وسیله‌ی شارش الکترون‌ها از زمین روی صفحه B  خنثی می‌شود پتانسیل A در این لحظه برابر با V‌است.

پتانسیل B به علت بار –q برابر با –V’‌است.

پنابراین ولتاژ کل برابر با V-V’ شده که کمتر از V‌است. از این رو پتانسیل A با ثابت بودن بار بر روی این صفجه شروع به کاهش‌می‌کند و ظرفیت آن افزایش پیدا می‌کند.

با حضور B کار انجام‌شده برای آوردن شارژ به A کاهش می‌یابد و نیروی دافعه به  A و جاذبه به B اعمال می‌شود. نیروی منتجه از این جاذبه و دافعه بار مثبت را کاهش‌داده و در نتیجه میزان کار انجام شده نیز کم‌می‌شود و پتانسیل A کاهش می‌یابد.

در نتیجه ظرفیت A برای نگه‌داشت بار افزایش می‌یابد.

قدرت دی‌الکتریک

موارد مابین دو هادی AوB همانطور که در شکل بالا نشان داده‌شده‌است همیشه از جنس دی‌الکتریک‌است. تحت شرایط کاری عادی این مواد دی‌الکتریک دارای الکترون‌های آزاد بسیار کمی می‌باشند. اگر قدرت میدان الکتریکی بین دو صفحه افزایش پیدا کند برخی از این الکترون‌ها ممکن است از مدار خود آزاد شوند که نتیجه آن جاری شدن جریان با حجم بسیار کم‌است.

زمانی که میدان الکتریکی اعمالی از مرز مشخصی عبور کند ، خاصیت عایقی این مواد از بین‌رفته و شروع به هدایت مابین دو هادی A و B می‌کند.

این موضوع با نام شکست دی‌الکتریک مطرح‌است که جزو خرابی‌های بانک خازنی‌است. مقدار ولتاژی که توانایی انجام این چنین کاری را داشته‌باشد با نام قدرت دی الکتریک شناخته‌می‌شود. این موضوع توانایی یک دی‌الکتریک را برای جلوگیری از شکست اندازه‌گیری می‌کند. واحد این موضوع KV/mm‌است.

این موضوع با رطوبت ، دمای بالا و … کاهش می‌یابد. در زیر مقدار این موضوع برای برخی از دی‌الکتریک‌ها مشخص شده‌است.

قدرت دی‌الکتریک برای خازن، ولتاژ ماکسیمم پیک‌است که خازن باید در دمای اتاق تحمل کند. تست‌شده با چندین برابر ولتاژ نامی برای یک دقیقه به وسیله ی یک مقاومت محدود‌شده ۱۰۰ اهمی

قابلیت اطمینان یا عدم قابلیت اطمینان بانک‌ خازنی، مدهای خرابی و ترکیدگی

ظرفیت بانک خازنی برای بهبود ضریب توان

تصحیح ضریب توان در بارهای الکتریکی یک مشکل عمومی در مراکز صنعتی‌است. هر مصرف‌کننده که توان الکتریکی را مصرف می‌کند تلاش به افزایش توان اکتیو و کاهش توان راکتیو دارد.

بیشتر بارهایی که در سیستم توزیع قرار گرفته‌است در یکی از دسته‌های زیر قرار می‌گیرد:

• مقاومتی
• القایی
• خازنی

موتور القایی عمده ترین مصرف‌کننده در سیستم قدرت‌است. مثال‌های دیگر در این زمینه عبارت‌است از ترانس ، لامپ‌های مهتابی ، موتورهای القایی AC ، دستگاه‌های جوش و … دستگاه‌هایی هستند که تنها از توان اکتیو استفاده نمی‌کنند و توان راکتیو را نیز مصرف می‌کنند.مشخصه عمومی این مصرف‌کننده این‌است که تمام آن‌ها دارای یک سیم‌بندی است که میدان الکترومغناطیس ایجاد می‌کند.

بنابراین قدرت اکتیو (KW) در واقع کار را انجام می‌دهد در حالی که توان راکتیو (KVAr) میدان الکترو مغناطیسی را حفظ می‌کند. این توان برای سیستم لازم‌است اما می تواند به عنوان یک موضوع نامطلوب در نظر گرفته‌شود.

از دید مصرف‌کننده اگر به بهبود ضریب توان توجه شود به این موضوع می‌رسیم که افزایش ضریب توان در ناحیه عملکردی به مابین 0.7 تا 0.9 به معنای :

• کاهش تلفات اهمی در شبکه تا 40%
• بهبود تولید و توزیع نیروگاه ها تا 30%

این موضوع مشخص می‌کند که : این موضوع باعث کاهش مصرف هزاران تن سوخت ، ساخت چندین نیروگاه جدید و خالی کردن اتاق ترانس‌ها می‌شود.

ناشی از راندمان ایجاد‌شده در سیستم ، شرکت هایی که دارای ضریب توان پایین می‌باشند می‌بایست هزینه بالاتری را برای سیستم خود پرداخت کنند. این کاملا مشخص‌است که مصرف انرژی الکتریکی بر روی جریان متناوب است و انرژی دریافت‌شده از شبکه به مواردی همچون نور ، حرکت و گرما تبدیل می‌شود ولی در کنار این موضوع بایستی توجه کرد میدان الکترومغناطیسی برای برپایی یک موتور القایی هم از همین انرژی متناوب سرمنشا می گیرد.

ضریب توان

ضریب توان با نام cosφ شناخته‌می‌شود. (cos Ø = kW / KVA)

همون طور که در مقایسه زیر مشخص‌است KVAR پس از افزایش ضریب توان کاهش داشته‌است.(برابر با kVAR1 – kVAR2)

از آنجایی که KVA=KW+kVAR در نتیجه کاهش kVAR باعث کاهش kVA می‌دهد و این به این معنا است که انرژی تامین‌شده توسط منبع کاهش یافته‌است.

به این نکته دقت کنید در این مقایسه ضریب توان در هر دو حالت قبل و بعد مقایسه ثابت و برابر با 0.85 بوده‌است و در این مقایسه ضریب توان منبع افزایش پیدا کرده‌است.در این حالت منبع توان انرژی راکتیو بالاتری تولید کرده‌است.

KVAR جبران شده‌برابر‌است با :

kVAR1 – kVAR2 = kW tanØ1 – tan Ø2 = kW [tanØ1 – tan Ø2]

اندازه بانک خازنی مورد نیاز برای این سیستم برابر با

= kW [tanØ1 – tan Ø2]

است که در آن cosφ1 ضریب توانی‌است که سیستم در آن عمل کرده و cosφ2 ضریب توان هدف‌است.

بانک‌های خازنی اتوماتیک شامل یک مرحله کنترل کننده‌است که مطمن می‌شود در هر لحظه مقدار خازن مورد نیاز به شبکه متصل گشته‍‌‌‌‌‌است. این به معنی این‌است که در هر لحظه در نقطه بهینه قرار داریم.

سایز کردن ظرفیت کلید برای بانک خازنی

به این نکته توجه داشته‌باشیم که در مداران القایی جریان نسبت به ولتاژ 90 درجه عقب تر می‌باشد و در مدارات خازنی 90 درجه جلوتر می‌باشد.این روابط برای رسم دیاگرام فازی بسیار پر اهمیت‌است.

این امری متعارف‌است که این موضوع را با عبارت CIVIL به یاد بسپارید

از این رو جریان کشیده‌شده از بانک خازنی برابر با

میشود.

از آنجایی که sin90=1 است‌می‌توان این فرمول را به شکل زیر بازنویسی کرد

استاندارد‌های مرتبط در این زمینه پیشنهاد ظرفیت اضافه بار تا 30 درصد را دارند. یک خازن دارای تلرانسی حدود 15 درصد در میزان ظرفیت خود‌است. تمام اجزای در میان راه شامل کنتاکتورها ، کلید‌های قطع ، فیوزها و کابل‌ها بایستی توانایی تحمل تا 1.5 برابر این جریان را داشته‌باشند.

مقدار نامی یک واحد خازن با نسبت مجذور ولتاژ هارمونیکی موثر و متناسب با فرکانس هارمونیکی متناظر تغییر می‌کند. این باعث افزایش KVAR می‌شود. ولی باعث بهتر کردن ضریب توان در سیستم نمی‌شود و فقط باعث اضافه باری خود خازن می‌شود.

بنابراين ، ممكن‌است اگر سیستم دارای هارمونیک است  ظرفیت بارگذاری خازن بیشتر شود و تجهیزات مرتبط با آن را برای تحمل این اضافه بار ناشی از هارمونیک باید افزایش داد.

مثال استفاده از این موضوع می‌تواند اجاق گاز استاتیک و کوره‌های قوس باشد. مطلوب‌است که در صورت اجرا در مجاورت ، تأثیرات هارمونیکی را تا حد امکان برای محافظت از خازنها و همچنین بارهای القایی متصل به سیستم و شبکه ارتباطی در نظر بگیرید.

• از این رو بر اساس توضیحات فوق زمان مشخص کردن جریان خازن در عمل یک ضریب 1.15 به عنوان تلرانس در سیستم اضافه می‌کنیم.
• kVAR موثر 1.5 تا ۱.۳ برابر kVAR نامی باید در نظر گرفته‌شود و بر این اساس تمام کلیدها و دستگاه‌های محافظ باید بر این اساس انتخاب شود.

در نظر گرفتن هارمونیک

 این مرسوم‌است که برای جلوگیری از جاری شدن هارمونیک نوع سوم جریان داخل سیستم ، قسمت زمین اتصال ستاره بانک خازنی زمین نشود و یا اتصال آن را  باید مثلث باشد.

مقالات مرتبط:

هارمونیک‌ها چگونه بر عملکرد موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن‌ها و غیره تأثیر مخرب می‌گذارند

هارمونیک چیست و چگونه آنها را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟

تاثیر ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور دیتاسنترها

استفاده از مدار فیلتر در خط‌های قدرت و در محلی مناسب برای جلوگیری از ایجاد هارمونیک امری ضروری‌است.

مدار فیلتر ترکیبی از خازن و راکتانس‌های سری‌است که برای حذف فرکانس هارمونیکی خاص تنظیم شده‌است و با استفاده از یک امپدانس خاص در آن فرکانس آن را فیلتر می‌کند.

مثلا برای هارمونیک نوع پنجم Xc5=XLS

استفاده از سلف سری با خازن می‌توان خاصیت هارمونیکی آن را در شبکه کاهش داد و باعث تاثیر ادر شبکه‌های دیگر مانند شبکه‌های ارتباط از راه دور می‌شود.  انتخاب سلف باید به شکلی باشد رخداد رزونانس کمی قبل از تر از فرکانس مدنظر برای فیلتراسیون باشد. تا بتواند یک مسیر برای هارمونیک ایجاد کند و آن را از سیستم فیلتر کند.

ایده اولیه مدار فیلتر پاسخ دهی به یک فرکانس و حذف فرکانس‌های دیگر‌است. در فرکانس قدرت بار باید به صورت خازنی باشد تا ضریب توان را افزایش دهد.

برای مثال در هارمونیک پنجم و در سیستم 50 هرتز این حالت باید قبل از 50*5 رخ دهد که تقریبا جایی مابین 200 تا 220 هرتز است. دلیل این امر عبارت از :

• اضافه ولتاژ در حین بارهای سبک
• اضافه ولتاژ ممکن است باعث اشباع هسته ترانس شود
• خرابی بارهای خازنی و سلفی متصل شده باعث تولید هارمونیک در سیستم می‌شود

باید اطمینان حاصل شود که:

تحت هیچ شرایطی از اختلال سیستم ، مدار فیلتر وقتی نزدیک به رزونانس نزدیک شود ، خازنی نمی‌شود. برای دستیابی به این هدف ، مدارهای فیلتر باید کمی کمتر از فرکانس تعریف‌شده هارمونیک تنظیم شوند.

انجام این کار در اکثر مواقع باعث می‌شود Xl از Xc بیشتر باشد زیرا ممکن‌است در اثر دمای محیط ، تحمل تولید یا خرابی چند عنصر خازن یا حتی چند واحد در حین کار ایجاد شود.

اگر یک فیلتر هارمونیکی در نزدیکی سیستم اصلاح ضریب توان وجود داشته‌باشد که در مقداری کمتر از هارمونیک پنجم تنظیم شده‌باشد برای اکثر جریان‌های هارمونیک تولید‌شده توسط مدارهای الکترونیکی، القایی خواهد‌شد و از بیشتر شدن اثر هارمونیکی در سیستم و یا ایجاد اختلال در سیستم ارتباطی (اگر وجود داشته باشد) جلوگیری می‌کند. این به خاطر این‌است که خازن‌های LT معمولا به صورت مثلث متصل می‌شوند که باعث می‌شود هارمونیک سوم وارد سیستم نشود و خازن های HT  به صورت مثلث متصل می‌شوند ولی نقطه ستاره آن ها زمین نمی‌شود که باعث می شود هارمونیک سوم وارد مدار نشود.

در بارهای غیرخطی و غیرمتعادل ، هارمونیک نوع سوم وجود دارد. برای جبران بهتر ، می توان از فیلترهای فرکانس تکی (uni-frequency filters)برای جبران محتوای هارمونیک فردی با تنظیم مدار به هارمونیک‌های مختلف استفاده کرد.

برای جبران سازی دقیق تر با استفاده از یک اسیلاتور و یا تحلیل گر هارمونیک دامنه کمی هارمونیک در سیستم مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرد تا بر اساس آن بهترین انتخاب را برای مدار فیلتر داشته‌باشیم. به صورت تئوری یک فیلتر برای هارمونیک نیاز است اما در عمل ، فیلتر برای 1 و یا 2 هارمونیک اول طراحی‌شده و تقریبا تمام هارمونیک های بالاتر را پوشش می‌دهد.

اگر بتوانیم یک سلف سری با 6% kVAR کلی بانک خازنی ایجاد کنیم تقریبا تمام هارمونیک‌ها را پوشش داده‌ایم. با این سلف سیستم برای هارمونیک پنجم در یک مدار 50 هرتز تنظیم شده (240 هرتز)‌است.

چرا بانک خازنی نباید زمین شود

کاربرد رله APFC (رگولاتور خازن)

کارکرد اصلی این رله پیدا کردن  اختلاف  فاز مابین ولتاژ و جریان در هارمونیک اصلی(50 هرتز) در سیستم‌های قدرت‌است. کمیت های هارمونیک در سیستم فیلتر می‌شوند. این یک روش عمومی و اقتصادی برای سنجش ضریب توان سیستم‌است. ضریب توان واقعی سیستم ممکن‌است مقداری کمتر از میزان اندازه‌گیری شده توسط رله باشد.

اما‌ می‌شود مقدار رله را میزانی بالاتر در نظر گرفت تا در زمان حضور هارمونیک در سیستم آن زا نیز جبران کندب. بر اساس این تغییر فاز و توسط یک ترانسدیوسر یک ولتاژ DC در خروجی ظاهر می‌شود.

مقدار این ولتاژ DC وابسته به میزان این شیفت فاز‌است. این ولتاژ سپس با یک میزان مرجع مقایسه‌شده و سپس بر اساس این مقایسه باند عملکردی رله نیز مشخص میشود. سیگنالهای تصحیح‌کننده سپس خازن‍‌‌ها را خاموش و روشن می‌کنند تا بتوانیم به سطح دلخواهی از ضریب توان برسیم. در این زمان با اضافه شدن خازن جدید از سطح مورد نظر ضریب توان عبور می‌کنیم.

در این لحظه چون ادامه این پروسه مطلوب نمی‌باشد ، پروسه متوقف‌شده و خازن از مدار خارج می شود. برای جلوگیری از این اتفاق حساسیت رله از طریق صفحه آن قابل کنترل‌است.(قابل تنظیم بین 4 تا 14 درجه)

این حساسیت ممکن‌است بر اساس درجه فاز و یا درصد kVAR مشخص شود. حساسیت از دیدگاه عملکردی به رله کمک می کند که از وقوع حالات نامطلوب جلوگیری کند.

رله‌ها‌ی تصحیح ضریب توان در سه نوع کارکرد متفاوت وجود دارند :

• الکترومغناطیسی. سرعت بسیار پایینی دارند و برای تصحیح حدود 2 دقیقه وقت نیاز دارند.
• حالت جامد بر اساس IC های گسسته
• حالت جامد بر اساس میکرو کنترلر

یک تاخیر زمانی برای اجازه دادن به تخلیه خازن تا 90% قبل از استفاده مجدد وجود‌دارد. این موضوع با قرار دادن یک زمان سنج داخل رله میسر می‌شود. هر زمانی که سیگنال خاموشی ایجاد شود تایمر شروع به کار میکند و از استفاده مجدد سیستم جلوگیری می‌کند و تا زمانی که 90% بار ذخیره شده خازن تخلیه نشود این امر ادامه دارد. این ویژگی با نام امنیت در برابر اضافه ولتاژ شناخته‌می‌شود.

به صورت معمول برای خازن‌های موازی LT این کار حدود 1الی3 دقیقه و برای HT حدود 5 الی 10 دقیقه طول می‌‍کشد مگر این که یک دستگاه تخلیه سریع به ترمینال‌های خروجی خازن وصل شود.

دستور ON

دستور ON تنها زمانی می‌تواند صادر شود که زمانسنج اجازه دهد. زمان کلید زنی مابین رله‍‌ها تقریبا بسیار کوتاه و در حد 3 الی 5 ثانیه است. این شامل زمان‌بندی رله‌‍های کمکی مدار کنترل (کنتاکتور) است. ممکن است خاطرنشان می‌شود که ، زمان کار رله استاتیک معولا سه تا پنج سیکل است.

در بارهای که به سرعت در حال تغییر هستند باید اطمینان حاصل شود که خازنهای تخلیه‌شده کافی در مدار وجود دارد. برای دستیابی به این هدف ، ممکن است گاهی اوقات تهیه دستگاه های تخلیه ویژه در سراسر پایانه‌های خازن یا چند واحد خازن اضافی لازم باشد تا آنها را برای تعویض بعدی آماده نگه دارید. ممکن است نیاز به یک مطالعه سیستم بر روی الگوی تغییرات بار و p.f مربوطه باشد. سوئیچینگ سریع ، بیشتر در سیستم های LT تا HT رخ می‌دهد. سیستم های HT با ثبات تر هستند ، زیرا بارهای متغیر بیشتر LT هستند.

بحث فوق عموماً مربوط به رله های حالت جامد مبتنی بر IC و در بیشتر قسمت ها به رله های مبتنی بر ریزپردازنده است.

تصحیح ضریب توان برای موتور القایی

انتخاب اندازه خازن برای یک موتور القایی در زمان های مختلف و تحت بارهای مختلف کاری بسیار سخت و دشوار‌است زیرا تحت بارهای مختلف حالت سلفی سیستم نوسان خواهد‌کرد.

یک خازن با مقدار بالاتر kVAR نسبت به موتور ، در شرایط بار خاصی ، ممکن‌است به دلیل تحریک بالا ، خود ولتاژ خطرناکی ایجاد کند.

در ضریب توان واحد ، ولتاژ باقیمانده یک خازن برابر با ولتاژ سیستم‌است. این ولتاژها هنگام خاموش شدن در سراسر خازن ها ظاهر می‌شوند و به منبع احتمالی خطر برای موتور و اپراتور تبدیل می‌شوند.

چنین شرایطی ممکن‌است هنگام ایجاد واحد خازن در پایانه‌های موتور ایجاد شود و با آن سوئیچ شود. این ممکن‌است در شرایط گذرا باز هنگام تغییر از ستاره به مثلث ، یا از یک مرحله به مرحله دیگر ، مانند یک سوئیچینگ A / T ، یا هنگام قطع موتور یا حتی هنگام خاموش کردن موتور در حال اجرا اتفاق بیفتد.

در تمامی شرایط خازن به صورت کامل شارژ‌شده و مقدار اضافه ولتاژ و میدان مغناطیس آن به میزان ضریب توان سیستم بستگی دارد و این ولتاژ در دو سر ترمینال موتور و یا هر المانی که به ترمینال های خازن وصل شده‌است ظاهر میشود. پس از قطع موتور از منبع تغذیه ، ولتاژ خودالقایی در خازن ایجاد‌شده و موتور را به فاز ژنراتور وارد کرده و ولتاژ آن از ولتاژ شبکه بیشتر شود.

راه حل این مشکل انتخاب خازنی است که جریان خازنی آن در حدود 90 درصد جریان موتور باشد.

بانک خازنی

اگر در زمان انتخاب خازن این موارد در نظر گرفته‌نشود به خصوص زمانی که ضریب توان سیستم پایین تر از ضریب توان نامی قرار بگیرد می‌واند موجب این شود که مصرف راکتیو موتور افزایش پیدا کند و ولتاژ دو سر موتور نیز اضافه شود و همین موضوع باعث ایجاد ضریب توان خازنی در موتور شود. این پدیده ممکن است در ژنراتور نیز رخ دهد. اگر همچین موضوعی در موتور و یا ژنراتور رخ دهد می‌تواند منجر به افزایش شدید گشتاور شود.

با داشتن این پارامترها در ذهن شرکت های سازنده موتور ضریب توان در اندازه 90% را در حالت بی بار پیشنهاد داده‌اند. این موضوع صرف نظر از بار موتور‌است.این موضوع برای تمامی اهداف مصرفی و تمام بارها ضریب توان را در محدوده 0.9 الی 0.95 قرار می‌دهد. تولید کنندگان موتور میزان احتمالی خازن را برای انواع مختلف موتور و سرعت ارائه می‌دهند.

حداکثر جریان مجاز

واحد‌های خازنی برای استفاده دائم در جریانی برابر با 1.30 برابر جریان نامی که در ولتاژ و فرکانس نامی ایجاد می‌گردد باید مناسب باشند و آن را تحمل کنند به غیر از جریان‌های گذرا. با توجه به تلرانس خازن به اندازه 1.1 CN حداکثر جریان مجاز برای یک خازن تا143IN می‌باشد.

بر اساس استاندارد IS13340 این حد از جریان اضافی برای در تحمل جریان‌های  هارمونیک های خاص و اضافه ولتاژ ۱.۱ لازم‌است.

دستگاه تخلیه

هر واحد و یا بانک خازنی نیاز  به یک دستگاه تخلیه مستقیم دارد. این دستگاه باید در کمتر از 1 دقیقه اضافه ولتاژ را تا حد ولتاژ نامی و یا تا اندازه 50 ولت کاهش دهد. این کار پس از قطع خازن از مدار شکل می‌یرد. مابین خازن و دستگاه تخلیه هیچ فیوز ، کلید و … نباید وجود داشته‌باشد.

این دستگاه ترمینال‌های خازن را به یکدیگر متصل و اتصال کوتاه کرده و برای تخلیه بار آن را به زمین وصل می‌کند.

t = زمان تخلیه بر اساس UN یا UR

R= مقاومت معادل تخلیه

C= خازن نامی برای هر فاز

U_N = ولتاژ نامی

U_R= اضافه ولتاژ مجاز

K = ضریب وابسته به مقاومت و خازن اتصالات

تنظیمات بانک خازنی :

بانک خازنی با اتصال مثلث معمولا به ولتاژ به اندازه 2400 ولت و یا کمتر وصل می‌شود.

در یک سیستم سه فاز ، برای فراهم ساختن توان راکتیو یکسان ، در اتصال ستاره نیازمند خازن با ظرفیت 3 برابر خازن مورد نیاز در سیستم مثلث است. علاوه بر این تحت این اتصال خازن تحت ولتاژ به اندازه  برابر کمتر از حالت مثلث قرار می‌گیرد اما جریان هر خازن به همین اندازه افزایش پیدا می‌کند.

برای اتصال ستاره سه فاز :

ظرفیت بانک خازنی : ( C = Q_c / (2πF_rU_r²

جریان نامی اجزا : I_RC = 2πF_rCU_r / √3

جریان خط :

برای اتصال مثلث :

ظرفیت بانک خازنی : (C = Q_c / (2πF_rU_r².3

جریان نامی اجزا : I_RC = 2πF_rCU_r

جریان خط :  I = I_RC / √3

که

U_{r= ولتاژ نامی،  که خازن باید آن را تحمل کند}

F_r = فرکانس نامی

Q_{c = معمولا بر اساس kvar بیان می شود(توان راکتیو بانک خازنی)}

هنگام تصمیم‌گیری در مورد اندازه بانک خازن در هر خط ، لازم‌است که ولتاژ را به دلیل نصب خازن‌ها در شرایط بار کامل و بار کم بررسی کنید. توصیه می‌شود که در شرایط بار سبک ، افزایش ولتاژ را تا حداکثر 3٪ ولتاژ خط محدود کنید. افزایش ولتاژ به دلیل نصب خازن ممکن‌است به این شکل صورت بگیرد.

افت ولتاژ / اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی

قطع و وصل بار در یک سیستم سبب تغییرات ولتاژ میشود. مقدار تخمینی می‌تواند به شکل زیر مشخص شود :

تغییرات ولتاژ = بار در MVA / سطح خطا در MVA

کلیدزنی در بانک خازنی هم سبب تغییرات ولتاژی می‌شود که به شکل زیر قابل محاسبه‌است :

تغییرات ولتاژ = نرخ بانک خازنی در MVA / سطح خطا در MVA

جایی که :

Vc% = درصد تغییرات ولتاژ ناشی از خازن

X% = راکتانس تجهیزات مانند ترانس

اگر بانک خازنی دارای اتصال ستاره باشد سپس میزان C مورد نیاز بیشتر از زمانی که اتصال مثلث برپا کرده‌باشیم. میزان بالاتر C باعث افزایش ولتاژ بیشتر در تجهیزات می‌باشد در نتیجه نیاز به وسایل محافظتی بیشتر داریم.

برای جلوگیری از ایجاد هارمونیک شماره سه معمولا مرسوم‌است که از اتصال مثلث استفاده‌شده و یا در صورت استفاده از اتصال ستاره سیم زمین آن زمین نمی‌شود.

بانک خازنی بزرگ می‌تواند مثلث ، ستاره بدون زمین و یا ستاره همراه با زمین متصل شود. اتصال ستاره بدون زمین ترجیح داده می شود. برای سیستم ستاره بدون زمین خازن اتصال هر واحد خازنی موازی با ولتاژ فاز به زمین، جریان خطای ایجاد‌شده در فیوز ورودی و یا برکر به وسیله ی خازن در دو فاز سالم دیگر محدود می‌شود. بعلاوه مسیر جریان هارمونیک ۳ برای بانک خازنی در بانک خازنی زمین نشده وجود ندارد.

برای اتصال مثلث و یا ستاره بدون زمین جریان محدود نشده و جریان خطا می تواند به اندازه جریان اتصال کوتاه بالا برود.

تنظیم بانک های خازنی

 در یک محیط صنعتی که شامل خازن های اصلاح ضریب توان می شود توزیع هارمونیک می تواند به دلیل تعامل بین خازن ها و ترانسفورماتور موجود در سیستم افزایش پیدا کند. این موضوع به عنوان رزونانس موازی و یا هارمونیکی شناخته می شود. به این نکته دقت کنید که تنها خود خازن عامل ایجاد هارمونیک نمی باشد. معمولا زمانی که از خازن به عنوان یک اصلاح گر ضریب توان استفاده شود عامل ایجاد هارمونیک در سیستم می شود.

در سیستم باز تنظیم سلف ها برای جلوگیری از ایجاد این حالت به صورت سری با سیستم قرار می گیرد و فرکانس رزونانس سیستم پایین تر از هارمونیک مرتبه پنجم قرار می گیرد.

امپدانس خازن با افزایش فرکانس کاهش می یابد. در فرکانس بالاتر ظرفیت خازن برای از بین بردن هارمونیک افزایش پیدا می کند. این موضوع یک مسیر با امپدانس کم برای عبور جریان هارمونیکی ایجاد می کند. این جریان های هارمونیک اضافه شده به جریان اصلی خازن ها می توانند بار اضافی جریان خطرناکی را بر روی خازن ایجاد کنند. این موضوع باعث افت ولتاژ خازن می شود. این افت ولتاژ به ولتاژ اصلی اضافه می شود. بنابراين در صورت وجود هارمونيكها ، خازن بایستی توانایی مقابله بیشتر با ولتاژ را داشته باشد. یعنی باید بتواند حتی از ۱۰ درصد اضافه ولتاژ هم بیشتر تحمل کند.

موارد احتیاطی که هنگام تعویض بانک خازن باید در نظر گرفته شود

اطمینان حاصل کنید که بار کافی روی سیستم وجود دارد.فکر کنید جریان نامی خازن برای کلیدزنی در ولتاژ 440 ولت برابر با 100 آمپر است. بنابراین جریان کمینه بار که در آن خازن برای کلید زنی حدود 130-150 آمپر است.

اگر یک خازن از قبل روشن باشد و یک خازن دیگر بخواهد در سیستم اضافه شود آنگاه حداقل جریان سیستم می بایست برابر و یا بیشتر از جریان ترکیبی دو خازن باشد معمولا برای این موضوع ضریب 1.35 تا 1.5 در نظر گرفته می شود.

پس از خاموش کردن خازن ، حداقل برای روشن کردن مجدد 1 دقیقه صبر کنید. تمامی اجزا بایستی زمین باشند. اگر اقدامات احتیاطی بالا رعایت نشود ، این می تواند به شرایط خطرناکی هم برای کارخانه و هم برای کارکنان منجر شود.

خازن ها در نبود بار بایستی خاموش شوند . این یک الزام است. اگر خازن ها در هنگام نگه داشتن فشار یا بار کمتر نگه داشته شوند ، ضریب توان به سمت پیش فاز رفتع و ولتاژ سیستم افزایش می یابد که ممکن است باعث ایجاد خسارت به خازن ها و همچنین سایر تجهیزات الکتریکی و اختلال شدید شود.

اگر ولتاژ های خط بیشتر از ولتاژ دارای ظرفیت خازن است ، خازن ها را روشن نکنید. با افزایش بار ، ولتاژ خط افت می کند و بعد از آن خازن ها  خازن ها را روشن کنید.

بهره برداری از بانک خازن و همبستگی با هارمونیک های موجود در سیستم

با‌محدود کردن بار غیرخطی تا 30٪ حداکثر ظرفیت ترانسفورماتور ، می توان هارمونیک را کاهش داد. با‌این کار اطمینان حاصل می کنیم که سیستم برق از 5٪ اعوجاج ولتاژ IEEE استاندارد 519 تجاوز نمی کند. با این وجود با نصب خازن های تصحیح ضریب توان ، شرایطی ممکن است رخ دهد که به طور بالقوه می تواند درصد بارهای غیر خطی را به 15٪  ظرفیت ترانسفورماتور کاهش دهد.

با استفاده از معادله زیر می توان مشخص کرد که رزونانس در سیستم توزیع ممکن است رخ دهد :

F_R = √kVA_SC / kVA_RC

F_R= فرکانس رزونانس که ضریبی از فرکانس اصلی است

kVA_SC= جریان اتصال کوتاه در محل مطالعه

kVA_RC= اندازه خازن در ولتاژ سیستم

اگر FR برابر و یا بسته به یک هارمونیک مشخصه ، مانند 5 یا 7 باشد ، احتمال وقوع یک شرایط رزونانس وجود دارد. تقریباً همه مشکلات اعوجاج هارمونیک زمانی اتفاق می افتند که فرکانس رزونانس موازی نزدیک به هارمونیک پنجم یا هفتم باشد ، زیرا اینها قدرتمندترین اجزای جریان هارمونیک هستند. هارمونیک های یازدهم و سیزدهم نیز ممکن است ارزش ارزیابی داشته باشند.

ضریب توان واقعی در ارتباط با درایو ها ی موتورهای الکتریکی

ضریب توان درایوهای با سرعت متغیر – با استفاده از اینورترهای منبع تغذیه‌ای شش مرحله ای و جریان ، ضریب توان با توجه به نوع کاربرد آن مشخص می شود. هنگامی که از SCR استفاده‌می‌شود ، ضریب توان در سرعت‌های کاهش یافته نسبتاً ضعیف خواهد‌بود. هنگامی که از دیودها با چاپر (برش دهنده) استفاده‌می‌شود ، ضریب قدرت همان یک اینورتر PWM خواهد بود که به نسبت زیاد‌است (در حدود ۱).

ضریب توان واقعی ، نسبت قدرت واقعی مورد استفاده در کیلو وات (کیلو وات) است که تقسیم بر کل ولت-آمپر کیلو است. و ضریب توان جابجایی اندازه گیری جابجایی فاز بین ولتاژ و جریان در فرکانس اساسی‌است. ضریب توان واقعی شامل اثرات هارمونیک در ولتاژ و جریان است. ضریب توان جابجایی با بانکهای خازن قابل اصلاح‌است.

(توان راکتیو هم می تواند در فرکانس اصلی و هم فرکانس های بالاتر رخ دهد)

درایوهای با سرعت متغیر از نوع PWM از یکسو کننده پل دیود استفاده می‌کنند و از نظر قدرت جابجایی بسیار نزدیک به یک هستند. با این حال ، اعوجاج هارمونیک جریان ورودی می‌تواند برای این درایوهای سرعت متغیر بسیار زیاد باشد و در نتیجه ضریب توان واقعی کم باشد. ضریب توان واقعی تقریباً 60٪ است با وجود این که ضریب توان جابجایی بسیار نزدیک به یک‌است. در این حالت می توان با استفاده از چوکهای ورودی یا ترانسفورماتورها که باعث کاهش اعوجاج جریان می شوند ، ضریب توان واقعی را بطور قابل ملاحظه ای بهبود بخشید.

لینک مقاله زبان اصلی:

Capacitor banks in power system part 1

Capacitor Banks In Power System (part two)