انواع تولید کننده توان راکتیو

در این مقاله تولید کننده توان راکتیو را بررسی میکنیم. همانطور که در قسمت‌های قبل با ماهیت توان راکتیو و مزیت‌های جبران سازی آن از نظر فنی و اقتصادی آشنا شدیم. این کار می‌تواند با تجهیزات و روش‌های متنوعی در انواع تأسیسات الکتریکی انجام شود. یکی از وظایف شما به‌عنوان طراح سیستم‌های قدرت این است که تشخیص دهید کدام روش برای تولید توان راکتیو و اتصال به تأسیسات مناسب است.

سیستم های تولید کننده توان راکتیو

به‌صورت کلی سیستم‌های توان راکتیو از نظر تولید و روش اتصال گروه‌بندی می‌شوند. به‌عنوان‌مثال سیستم‌های تولید کننده توان راکتیو را در نظر بگیرید. این تجهیزات به‌صورت کلی در گروه‌های زیر قرار می‌گیرند:

• ژنراتور های سنکرون یا Synchronous alternators
• کندانسور یا جبران‌ کننده‌ ی سنکرون یا Synchronous compensators
• جبران‌کننده‌ های استاتیک یا Static var compensators
• بانک‌ های تشکیل‌ شده از خازن استاتیک یا Banks of static capacitors

روش های اتصال جبران کننده ها به تاسیسات

علاوه بر روش تولید توان راکتیو، نوع و محل اتصال آن به تأسیسات نیز اهمیت ویژه‌ای دارد. از نظر اتصال جبران‌کننده‌ها به تأسیسات می‌توان روش‌های زیر را انتخاب کرد. توجه داشته باشید که هر یک از این روش‌ها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند:

• اصلاح ضریب توان انفرادی
• اصلاح ضریب گروهی
• اصلاح ضریب توان مرکزی
• اصلاح ضریب توان ترکیبی
• اصلاح ضریب توان اتوماتیک

تامین و تولید کننده توان راکتیو

جهت جلوگیری از تبادل توان راکتیو بین بار و منبع باید یک مسیر جایگزین با کوتاه‌ترین فاصله ایجاد شود. این مسیر شامل تجهیزاتی است که از نظر میزان تبادل توان راکتیو با یکدیگر متناسب هستند ولی زمان دریافت و پرداخت آن‌ها کاملا برعکس است. به‌عنوان‌مثال در این رابطه می‌توان به انواع سلف و خازن اشاره کرد.

برای درک بهتر این موضوع یک ترانسفورماتور یا الکتروموتور القایی را در نظر بگیرید. این تجهیزات دارای ضریب توان پس فاز بوده و با توجه به اندازه یا بزرگی الکتروموتور یا ترانسفورماتور و درصد بارگیری به تبادل توان راکتیو با منبع می‌پردازند. این کار باعث افزایش تلفات، افت ولتاژ و دیگر معایب شرح داده‌شده در بخش‌های قبلی می‌گردد. برای رفع این مشکل می‌توان یک جبران‌کننده مانند خازن در نظر گرفت.

از نظر فنی هرچقدر این خازن به بار نزدیک‌تر باشد، مسیر تبادل توان کوتاه‌تر شده و ظرفیت شبکه‌ی بزرگ‌تری از توان راکتیو آزاد خواهد شد.

در اغلب تأسیسات ضریب توان به‌صورت پس فاز بوده و نیاز به اتصال تولید کننده‌ توان راکتیو داریم. عنوان تولید کننده به صورت قراردادی برای تجهیزات با -Q مانند خازن به کار برده می‌شود. با توجه به سطح ولتاژ؛ معمولا در این تأسیسات از خازن‌ها به‌صورت انفرادی یا مجتمع استفاده می‌شود.

در تأسیسات قدرت مانند خطوط انتقال ممکن است شرایط متفاوتی ایجاد شود. به‌عنوان‌مثال ضریب توان در این تأسیسات پیش فاز شده و از انواع سلف برای کنترل آن استفاده کنند. قابل‌ذکر است که با پیچیده‌تر شدن تأسیسات ممکن است هردو عنصر سلف و خازن به‌صورت هم‌زمان به شبکه متصل شوند. این کار با اهداف مختلف مانند کنترل توان راکتیو و هارمونیک‌ها انجام‌شده و کمی پیچیده است.

با توجه به محل و میزان توان راکتیو موردنیاز؛ روش‌های مختلفی برای جبران سازی وجود دارد. قابل‌ذکر است که در انتخاب این روش‌ها المان‌های دیگری مانند سطح ولتاژ، مسائل اقتصادی و غیره نیز دخیل هستند. در ادامه روش‌های تولید کننده توان راکتیو را بیشتر بررسی می‌کنیم.

ژنراتورهای سنکرون

جهت تولید انرژی الکتریکی از انواع مختلف نیروگاه به‌صورت متمرکز و پراکنده استفاده می‌شود.

در برخی از این نیروگاه‌ها انرژی اولیه مانند سوخت‌های فسیلی، انرژی ذخیره شده‌ی آب و غیره طی یک فرایند پیچیده‌ به نیروی مکانیکی تبدیل شده و در نهایت ژنراتورها را به حرکت در می‌آورند. چرخش ژنراتور باعث می‌شود میدان مغناطیسی حاصل از سیستم تحریک توسط سیم‌پیچ‌ها قطع شده و در نهایت انرژی الکتریکی ایجاد شود. در زیر تصویر ژنراتور های زیمنس با توان تولیدی 25 تا 370 مگاآمپر را مشاهده میکنید.

در ژنراتورهای بزرگ انرژی تولیدی معمولا به‌صورت فشار متوسط است. این سطح ولتاژ در پست‌های نیروگاهی افزایش پیدا کرده و در نهایت به خطوط انتقال متصل می‌شود. همان‌طور که مشاهده می‌کنید ژنراتورهای سنکرون، ماشین‌های اصلی جهت تولید انرژی الکتریکی و تولید ‌کننده‌ توان راکتیو موردنیاز خطوط انتقال و توزیع هستند.

این ماشین‌ها قادر هستند هردو مؤلفه‌ی اکتیو و راکتیو را تولید و به شبکه تزریق کنند. در پروسه‌ی تولید انرژی؛ سیستم‌های کنترلی متفاوتی وجود که کمیت‌های اساسی مانند میزان ولتاژ، فرکانس و نوع توان تولیدی را تعیین می‌کنند.

به‌عنوان‌مثال سرعت چرخش ژنراتور؛ فرکانس شبکه را ایجاد کرده و همواره باید مقدار ثابتی داشته باشد. این پارامتر با توجه به میزان بار ژنراتور تغییر کرده و دائما توسط گاورنرها کنترل می‌شود.

از پارامترهای دیگر می‌توان به ولتاژ سیستم تحریک اشاره کرد. بدون وارد شدن به بحث‌های تئوری می‌توان گفت که با تغییر تحریک ژنراتور؛ دامنه‌ی ولتاژ تولیدی و میزان توان راکتیو تزریقی به شبکه کنترل می‌شود. به‌عبارت‌دیگر میزان توان اکتیو یا راکتیو تولیدی در یک ژنراتور قابل تنظیم بوده و بر اساس نیازمندی‌های شبکه مشخص می‌شود.

کندانسور یا جبران‌کننده‌های سنکرون

این مدل از جبران‌کننده‌ها در اصل موتورهای سنکرونی هستند که بدون بار به شبکه متصل می‌شوند. این ماشین به‌صورت سنکرون با شبکه کار کرده و می‌تواند تولید یا جذب کننده‌ی توان راکتیو باشد.

تولید و یا دریافت توان راکتیو در این ماشین با کنترل بخش تحریک یا E انجام می‌شود. به‌عبارت‌دیگر می‌توان با حالت‌های فوق تحریک یا زیر تحریک نحوه‌ی تبادل توان شبکه و موتور را مشخص کرد. طبق تصویر زیر میزان تحریک سیستم یا E تعیین‌کننده‌ی زاویه‌ی جریان به‌صورت پیش فاز یا پس فاز خواهد بود.

کندانسورهای سنکرون در قسمت‌های مشخصی از شبکه‌های انتقال یا با ولتاژ پائین تر قرار می‌گیرند. این ماشین‌ها دائما تحت کنترل بوده و ضمن جبران سازی توان راکتیو به تنظیم ولتاژ شبکه نیز کمک می‌کنند.

مزیت اصلی این ماشین توانایی دریافت یا پرداخت توان راکتیو است. به‌عبارت‌دیگر برای کنترل جهت توان راکتیو به‌صورت مثبت یا منفی، نیازی به دو تجهیز جداگانه مانند سلف و خازن نخواهد بود. علاوه بر این در ماشین‌های سنکرون قابلیت کنترل پیوسته‌ی توان راکتیو وجود دارد. به‌عبارت‌دیگر با تنظیم میزان تحریک می‌توان علاوه بر جهت، میزان توان تبادل شده را به‌دقت تنظیم کرد.

از معایب کندانسورهای سنکرون می‌توان به وجود قسمت‌های مکانیکی و محرک اشاره کرد. این قطعات باعث افزایش هزینه‌های اولیه و سرویس و نگهداری خواهد شد.

جبران‌کننده‌های استاتیک

در ژنراتورها و کندانسورهای سنکرون پروسه‌ی کنترل توان راکتیو به‌صورت پیوسته انجام می‌شود. به‌عبارت‌دیگر در این شیوه ماشین دائم در حال کار بوده و تبادل توان راکتیو آن توسط بخش تحریک کنترل می‌شود. همان‌طور که قبلا شرح داده شد این ماشین‌ها می‌توانند جذب یا تولیدکننده‌ی توان راکتیو باشند.

با توسعه‌ی تجهیزات الکترونیک قدرت و کاهش هزینه‌های تولید آن‌ها، روش‌ دیگری برای جبران سازی توان راکتیو با عنوان سیستم‌های استاتیک بدون قسمت‌های دوار و مکانیکی ابداع شده است.

این سیستم‌ها در دو گروه کلی TSC و TCR تولید شده و به نوعی نسخه‌های الکترونیک تنظیم توان راکتیو هستند. ( TSC: Thyristor Switched Capacitor, TCR: Thyristor Controlled Reactors)

توجه داشته باشید که طبق تصویر زیر در مدل استاتیک؛ سیستم‌های تولید و دریافت توان راکتیو از یکدیگر مستقل خواهند بود. این امر با یک فلش در کنار Q به‌خوبی نمایش داده‌شده است.

سیستم TSC یا خازن‌های سوئیچ شونده؛ از پله‌های مجزای خازن و به‌منظور تولید توان راکتیو تشکیل‌شده‌اند.

تایرستورهای به کار رفته در این واحدها به‌منظور کنترل ولتاژ نبوده و تنها سوئیچ کامل را انجام می‌دهند. به‌عبارت‌دیگر پس از دریافت فرمان؛ یک واحد خازن وارد مدار شده و یا از مدار خارج می‌شود.

این روند در تجهیزات TCR یا راکتورهای کنترل شونده با تایرستور متفاوت است. در سیستم‌های TCR یک کنترل پیوسته روی سلف‌ها انجام‌شده و توان راکتیو از شبکه دریافت می‌شود. با وجود تایرستورها می‌توان ضمن سوئیچ راکتورها، میزان توان راکتیو دریافتی از شبکه را کنترل کرد.

با ترکیب واحد‌های TSC و TCR می‌توان یک سیستم کنترل توان راکتیو به‌صورت مثبت و منفی ایجاد کرد. این سیستم در صورت نیاز می‌تواند با واحدهای خازنی توان راکتیو تولید کرده و یا با واحدهای سلفی آن را جذب کند. این واحدها در خطوط با ولتاژهای بالا نصب و بهره‌برداری می‌شوند.

بانک‌های تشکیل‌شده از خازن استاتیک

در بسیاری از تأسیسات مانند سطوح فشار متوسط و فشار ضعیف تنها از بانک‌های خازن به‌منظور تولید توان راکتیو استفاده می‌شود. معمولا در این تجهیزات نیازی به دریافت توان راکتیو توسط سلف‌های جداگانه وجود ندارد. این خازن‌ها می‌توانند توسط تایرستور یا کنتاکتورها به شبکه سوئیچ شده و ضریب توان سیستم را ارتقاء دهند.

خازن یک عنصر پسیو بوده که از دو صفحه‎‌ی رسانا تشکیل تشکیل‌شده است. صفحات خازن توسط یک ماده‌ی عایق بنام دی‌الکتریک از یکدیگر جدا شده و در نهایت داخل یک محفظه قرار می‌گیرند. این محفظه کاملا بسته بوده و از نفوذ رطوبت به داخل خازن و خروج گاز یا مایع‌های استفاده شده در آن به محیط پیرامون جلوگیری می‌کند.

آخرین نسل خازن‌ها به‌صورت خشک ( Dry) تولید شده و دارای خاصیت خود ترمیمی هستند. این ساختار ضمن ارتقاء مشخصه‌های الکتریکی خازن، ریسک آلودگی‌های محیطی را کاهش می‌دهد.

قابل‌ذکر است که در خازن‌های خشک هیچ‌گونه ماده‌ی اشباع استفاده نشده و خطری برای محیط‌زیست ندارند. شکل ظاهری خازن با توجه به نحوه‌ی فرم دهی صفحات داخلی آن‌ مشخص می‌شود. به‌صورت کلی خازن‌ها در مدل‌های زیر تولید می‌شوند:

• خازن‌های صفحه‌ای
• خازن‌های سیلندری
• خازن‌های کره‌ای یا دایره‌ای