طراحی بانک خازنی

طراحی بانک خازنی

هدف اصلی و عمده نصب بانک خازنی جبران انرژی راکتیو مصرفی بار الکتریکی است. به دلیل تغییرات میزان انرژی مصرفی در طول زمان لازم است تا میزان راکتیو تزریق شده به وسیله خازن به مدار نیز تغییر کند. در غیر این صورت دو حالت پیش می آید

- 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 برخواهد 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 کیلووار به مدار بدون حضور هیچ باری پدید می آید از رابطه زیر بدست می آید:

1111

که در آن Uk درصد ولتاژ ترانسفورماتور و St قدرت ترانسفورماتور است.

مثال:

باری با قدرت 300 کیلووات و ضریب توان 0.7 به وسیله ترانسفورماتوری با ولتاژ اتصال کوتاه  4% و قدرت 630 کیلو ولت آمپر تغذیه می گردد. توسط بانک خازنی به ظرفیت 200 کیلووار ضریب توان بار به 0.95 اصلاح می گردد تا قبل از جبران سازی ولتاژ محل مصرف برابر 389.7 ولت و پس از جبران سازی ولتاژ به 395 ولت افزایش می یابد حال اگر بار به نصف کاهش یابد ولی رگولاتور صحیح عمل نکرده و 200 کیلووار خازن در مدار باقی بماند ولتاژ محل تغذیه به 400 ولت افزایش می یابد. اگر ترانسفورماتور تحت بار کامل بود و با جبران سازی مناسب ضریب توان به 0.95 اصلاح می گشت و به دلیل خرابی یا تنظیم ناصحیح رگولاتور با نصف شدن بار, پله ای از مدار خارج نمی گردید اضافه ولتاژ حاصل برابر 2.8%  معادل 11 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.

1111

1111

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 کیلووار که باری با ضریب توان ذاتی ۰٫۷ را جبران میکند, به ازای هر ۱۵کیلووات 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 آنکه 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 کیلووات 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 کیلووار می باشد برای رسیدن به ظرفیت ۲۰۰ کیلووار به ۲۰ عدد پله ۱۰ کیلووار 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 کیلووار 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 گشتهاند که می توانند آرایش ۱:۲:۴:۸:۱۶:۳۲:۶۴را پشتیبانی کنند که با چنین رگولاتورهایی می توان بانکی به ظرفیت ۱۲۷۰ کیلووار با پله اول ۱۰ کیلووار 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 بصورت دایمی 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 کیلووار 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.

چندنکته: 

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.

1111

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 کیلوار در سمت ۴۰۰ ولت یک ترانسفورماتور ۲۰ به ۶٫۴ کیلووات 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 کیلووار از چهار عدد ۱۲٫۵ کیلووار که به صورت موازی وصل شده اند استفاده شود, پیک جریان هر خازن به ۷٫۹ کیلوآمپر 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.

1111

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 برعهده 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