By

طراحی بانک خازنی

در طراحی بانک های خازنی سه موضوع زیر مد نظر قرار می گیرند:
۱- محاسبه ظرفیت مورد نیاز خازن
۲- تعیین ظرفیت پله اول و آرایش پله ها
۳- گزینش تجهیزات 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:
۱- 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.
۲- 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:

kha1

که در آن Uk درصد ولتاژ ترانسفورماتور و St قدرت ترانسفورماتور است.
نمونه: باری با قدرت ۳۰۰ کیلووات 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 کیلووار 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 کیلووار 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 ناصحیح 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:

۱- محاسبه ظرفیت مورد نیاز خازن
۲- تعیین ظرفیت پله اول و آرایش پله ها
۳- گزینش تجهیزات بانک خازنی

۱- 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.

kha2

P: میزان قدرت قراردادی برحسب کیلووات
tg∅۱ ضریب توان فعلی
tg∅۲ ضریب توان مطلوب
Q : میزان توان راکتیو مورد نیاز

۲- 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 ۱۵ کیلووات 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
… ۱:۲:۲:۲ است, 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 گشته اند که می توانند آرایش ۱:۲:۴:۸:۱۶:۳۲:۶۴ را پشتیبانی کنند که با چنین رگولاتورهایی می توان بانکی به ظرفیت ۱۲۷۰ کیلووار با پله اول ۱۰ کیلووار ایجاد نمود.

۳- 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.
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.
kha3

که در آن St قدرت ترانسفورماتور, In جریان نامی پله خازنی, Uk ولتاژ اتصال کوتاه ترانسفورماتور, و Q ظرفیت نامی پله خازنی است.
نمونه: 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 ۴%=K 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 کیلوار 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 حالتهای متفاوت در گزینش تجهیزات جانبی انجام پذیرفته است.
kha4

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.
بحث طراحی و حفاظت بانک های خازنی بسیار دقیق و ظریف است که بهتر است برای یادگیری کامل به کتابچه آموزشی طراحی برق صنعتی و محاسبه بانک خازنی مراجعه نمود.
از موارد دیگر مطرح در طراحی بانک خازنی می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
۱- گزینش فیورهای حفاظتی که به صورت سری در یک بانک خازنی قرار می گیرند.
۲- حداکثر ظرفیت مجاز یک پله
۳- رگولاتور(برای اطلاعات بیشتر به ادامه مقاله رگولاتور چیست در سایت مراجعه فرمایید.)
۴- تنظیم رله های هارمونیکی تعبیه شده در رگولاتور
۵- اصول تنظیم رله اضافه جریان
۶- حفاظت در برابر اعوجاجات
۷- هماهنگی بین سیستم مخابراتی و بانک خازنی
۸- مساله انتفال حرارت در بانک های خازنی
۹- قدرت اتصال کوتاه تابلو
۱۰- بانک های خازنی با سرعت بسیار بالا Thyristor Capacitor Bank
۱۱- جبران سازی بارهای موتوری

پایان قسمت اول آموزشی

regulator

رگولاتور چیست و چگونه کار می کند؟
رگولاتور اصلاح ضریب قدرت یکی از اساسی ترین اجزاء بانک های خازنی است. طبق تعریف مرسوم رگولاتور دستگاهی است که با اندازه گیری ضریب توان بار، به مقدار مورد نیازخازن به مدار وارد می نماید.
هدف این قسمت فراگیری :
رگولاتور چگونه کار می کند؟
نسبت ضریب c/k چیست؟
تنظیم نادرست رگولاتور چه تأثیری در عملکرد آن دارد؟
Sequence سوییچینگ چگونه تعیین می شود؟
اگر پلاریتۀ ترانس PT به اشتباه وصل شود چه اتفاقی می افتد ؟و سایر سوالات متداول.
در بخش اول اصول کلی و آشنایی با انواع رگولاتورهای آنالوگ، الکترونیکی و رگولاتورهای بسیار پیشرفتۀ میکروپروسسوری گفته می شود البته(نقاط مشترک آنها) .و در بخش دوم عمده خطاهایی که در زمان نصب و تنظیم رگولاتور پیش می آید به صورت سوال و جواب مطرح شده است.
بخش اول
اصول کار رگولاتور:
فرض کنید بخواهیم به صورت دستی و به وسیلۀ دستگاههای اندازه گیری توان اکتیو و راکتیو، ضریب توان را اصلاح کنیم
همچنین فرض می نماییم که ۵ خازن هم ظرفیت q کیلوواری نیز در اختیار داریم. روند تنظیم به شرح ذیل است:
مرحلۀ ۱: اندازه گیری توان اکتیو و راکتیو
مرحلۀ ۲: محاسبۀ ضریب توان با استفاده از رابطۀ

kha5

مرحلۀ ۳: محاسبۀ توان راکتیو مورد نیاز برای رسیدن به ضریب توان مطلوب

kha2

مرحلۀ ۴: تزریق Q کیلووار راکتیو به مدار
در اینجا دو حالت پیش می آید:
حالت ۱: Q کیلووار معادل ۳٫۸q یعنی به سه پله و ۰٫۸ یک پله نیاز داریم ولی نمی توانیم ۰٫۸ یک پله را وارد مدار نماییم. دو انتخاب وجود خواهد داشت:
وارد کردن ۳ پله (به ضریب توان مطلوب نخواهیم رسید)
وارد کردن ۴ پله ( ضریب توان از مقدار تنظیم شده بزرگ تر خواهد شد)
کدام راه حل مناسب تر است؟
حالت ۲ : Q کیلووار معادل ۴٫۴q یعنی به ۴ پله و ۰٫۴ یک پله نیاز داریم مجددا مانند حالت قبل دو راه وجود دارد:
وارد کردن ۴ پله که منجر به ضریب توانی کوچک تر از مقدار تنظیم شده می گردد.
وارد کردن ۵ پله که به ضریب توان بزرگ تری دست خواهیم یافت.
مجدداً این سوال پیش می آید که کدام مناسب تر است؟
چنین وضعیتی دقیقاً در رگولاتور نیز رخ می دهد.
فرض کنید که قبلأ مقداری خازن وارد مدار شده و ضریب توان از ضریب توان مطلوب بزرگتر است، لازم است
تا فرضاً ۱٫۲q از خاز نهای متصل، قطع شوند. یک خازن را قطع نماییم یا ۲ خازن را؟
در رگولاتورها معمولاً مقدار راکتیو مورد نیاز را به مضربی از کوچکترین پله گرد می نمایند. دو مثال زیر دو حالت متفاوت تصمیم گیری و عملکرد رگولاتور را نشان می دهد:
اگر در رگولاتوری ۳٫۴ پله مورد نیاز باشد ۳ پله وارد، و اگر ۳٫۶ پله مورد نیاز باشد ۴ پله وارد م یگردد.
رگولاتور دیگری به جای ۳٫۷ پله، ۴ پله و به جای ۳٫۶۹ پله, ۳ پله وارد می نماید.
همانگونه که مشخص شد باید در تنظیم و اصلاح ضریب توان درصدی از خطا را بپذیریم.
در اینجا این سؤال مطرح می شود که:
چه میزان خطا مجاز است؟
این خطا به چه عواملی بستگی دارد؟
چگونه می توان آن را کنترل کرد؟
پاسخ به دو سوال آخر بسیار آسان است: ظرفیت کوچکترین پله.
چون کل راکتیو مورد نیاز به مضربی از کوچکترین پله گرد می شود، هر چه این عدد کوچک تر باشد خطا کمتراست: ولی کوچک ساختن پله اول موجب استهلاک تجهیزات، افزایش تعداد قطع و وصل ها، ایجاد شوک و تنش های الکترومکانیکی و اختلالات الکترومغناطیس می گردد.
سوال اول متناظر این سؤال است که ظرفیت کوچک ترین پله چگونه تعیین می گردد؟
نسبت c/k چیست و چگونه تعریف می شود؟
نسبت c/k در واقع تعیین کنندۀ دقت یا خطای تنظیم است. معمولأ میزان خطا متناسب با ضریبی بین ۰٫۵ الی ۰٫۶۵ کوچکترین پله بانک خازنی است.
در رگولاتوری که مبنای خطا ۰٫۶۵ کوچکترین پله است: بجای ۵٫۶۷ برابر کوچک ترین پله (۰٫۶۵q), شش برابر کوچک ترین پله(۶q) به مدار وارد می گردد و به جای ۵٫۴ برابر کوچکترین پله (۵٫۴q) برابر کوچکترین پله (۵q) وارد مدار می گردد.
در ابتدای مقاله فرض شد که دستگاه های اندازه گیری توان اکتیو و راکتیو در اختیار داریم. در رگولاتور از جریان اکتیو و راکتیو برای کنترل و تصمیم گیری استفاده می شود و به جای آنکه توان راکتیو مورد نیاز با ظرفیت کوچک ترین پله مورد مقایسه قرار گیرد، جریان راکتیو بار با جریان راکتیو کوچکترین پله مورد مقایسه قرار می گیرد، حد خطا نیز به جای ۰٫۶۵ توان کوچکترین پله (۰٫۶۵q), معادل ۰٫۶۵ برابر جریان راکتیو کوچکترین پله ( ۰٫۶۵i) خواهد بود.
از طرفی جریان ها از طریق یک ترانسفورمر جریان کاهنده (CT ) اندازه گیری می شوند لذا اگر ظرفیت کوچکترین پله Q کیلووار باشد با اتصال آن به شبکه جریان راکتیوی برابر

khaa6به شبکه تزریق می شود. و پس از عبور از CT در مدار داخلی رگولاتور جریان

kha7

(K نسبت تبدیل ترانسفورمر جریان) اندازه گیری می شود.
با اتصال کوچک ترین پله به شبکه در رگولاتور جریان

kha7

اندازه گیری می شود.پس حد خطا به صورت زیر که فرم آشنای c/k است تبدیل می گردد:

kha8

بخش دوم
پرسش: اگر c/k را به مقدار بزرگ تری تنظیم کنیم، چه تغییری در عملکرد رگولاتور پدید می آید؟
پاسخ: وقتی c/k به مقدار بزرگ تری تنظیم گردد، بدین معنی است که ظرفیت کوچک ترین پله بزر گتر از حد واقعی اعلام شده است. لذا در ضریب توان اندازه گیری شده باید تغییر بیشتری نسبت به حالت تنظیم صحیح c/k ایجاد گردد تا پله ای قطع یا وصل گردد و خطا افزایش می یابد.
پرسش: اگر c/k را به مقدار کوچک تری تنظیم نماییم، چه تغییری در عملکرد رگولاتور پدید می آید؟
پاسخ: با این تنظیم مقدار ظرفیت کوچک ترین پله، کمتر از مقدار واقعی اعلام می شود و با تغییر کوچکی در ضریب توان یک پله قطع یا وصل می گردد. خطا کمتر می شود ولی امکان نوسان (قطع و وصل متوالی) یک پله وجود دارد.
پرسش: اگر c/k صحیح تنظیم شود ولی نسبت CT به مقداری بزرگ تر (کوچک تر) تنظیم گردد، چه رخ می دهد؟
پاسخ: در اکثر رگولاتورها تنظیم نسبت CT تأثیری در عملکرد رگولاتور ندارد بلکه تنها برای نمایش مقدار دقیق جریان اندازه گیری شده به کار می رود، ولی اگر در رگولاتوری این ضریب تأثیری در عملکرد درونی رگولاتورداشته باشد، افزایش (کاهش) آن متناظر با کاهش (افزایش) نسبت c/k است.
پرسش: در شبکه ای با ولتاژ بیش از ۴۰۰ ولت باید از PT برای رگولاتور و اندازه گیری ها استفاده کرد. آیا نسبت c/k تغییر می کند؟
پاسخ: خیر, c/k از همان رابطه

kha7

محاسبه می گردد و نسبت تبدیل PT در آن تاثیری ندارد.

پرسش: در بعضی از رگولاتورها نسبت c/k به صورت

kha9که Q ظرفیت کوچک ترین پله و K نسبت تبذیل CT است تعریف می گردد.چرا این فرمول با فرمول

kha7

متفاوت است؟

پاسخ: این نوع رگولاتورها تنها برای یک ولتاژ معین قابل استفاده هستند. در این نوع، ضریب

kha10

برای ولتاژ خاصی مثلأ ۴۰۰ ولت محاسبه می گردد و در نسبت

kha9

به صورت اتوماتیک ضرب می گردد.

پرسش: در صورت استفاده از این رگولاتورها برای ولتاژی متفاوت با ولتاژ اصلی آنها چه اتفاقی رخ می دهد؟
پاسخ: اگر ولتاژ بزرگتر از ولتاژ اصلی باشد همانند کوچک کردن c/k خواهد بود و اگر ولتاژ کمتر از ولتاژ اصلی باشد، مطابق بزر گ ساختن c/k خواهد بود.
پرسش: آیا فرمول دیگری برای c/k وجود دارد؟
پاسخ: بلی.
kha12

با توجه به این فرمول دیده می شود که اگر ضریب

kha13

برای شرایط خاصی محاسبه گردد. مقدار رابطه به نسبت ظرفیت خازن (C) و نسبت Ct

(K) بستگی دارد و علت آنکه ضریب خطا را c/k می نامند همین رابطه است.
پرسش: رگولاتورهای میکروپرسسوری چگونه کار می کنند؟
پاسخ: این رگولاتورها از عملیات پیچیدۀ ریاضی برای محاسبات استفاده می نمایند. آنها از تبدیلات فوریه برای جداسازی اجزاء، اکتیو، راکتیو، دامنۀ هارمونیک ها و غیره استفاده می نمایند ولی بر اساس اصول بیان شده در بخش اول کار می کنند.