انواع جبران سازی توان راکتیو با خازن

در این مقاله به بررسی انواع جبران سازی توان راکتیو خواهیم پرداخت. خازن یک عنصر استاتیک تنظیم کننده‌ی توان راکتیو بوده که تلفات بسیار ناچیزی دارد. این عنصر در سطوح ولتاژی مختلف از جمله فشار ضعیف به شکل‌های متنوعی جهت جبران سازی یا تولید توان راکتیو استفاده می‌شود. به‌عنوان‌مثال در سطح فشار ضعیف می‌توان آن را مستقیم به ترمینال‌های الکتروموتور متصل کرده و یا در یک تابلوی اتوماتیک قرار داد.

قبل از نصب خازن باید روش‌ها و انواع جبران سازی توان راکتیو با خازن را بررسی کرده و یک طرح مناسب برای رسیدن به بهترین نتیجه از نظر جبران سازی، مسائل فنی و اقتصادی تهیه کنیم.

اصلاح ضریب توان انفرادی یا توزیع‌شده

روش انفرادی به معنی جبران سازی توان راکتیو یک‌بار خاص مانند الکتروموتور، ترانسفورماتور، و غیره است. در این حالت میزان توان راکتیو خازن یا خازن‌ها دقیقا بر اساس نیازمندی‌های بار انتخاب شده و در نزدیک‌ترین حالت ممکن نصب می‌شوند. قرارگیری خازن در کنار بار، باعث پائین آمدن جریان کابل‌ها، تجهیزات قدرت و ترانسفورماتور می‌شود.

اتصال خازن‌ها در حالت جبران سازی انفرادی( Distributed power factor correction) بسیار ساده و ارزان است. به‌عنوان‌مثال می‌توان آن را مستقیم به ترمینال‌های بار متصل کرده و یا از یک وسیله‌ی حفاظتی در برابر اضافه جریان مانند بریکر یا فیوز به همراه یک کنتاکتور برای قطع و وصل خازن استفاده کرد. کنترل خازن می‌تواند به‌صورت دستی، بر اساس ساعت، روشن و خاموش شدن بار مربوطه یا هر حالت دیگری انجام شود.

روش جبران سازی انفرادی بیشتر برای بارهای بزرگ، توزیع‌شده و با زمان کار طولانی توصیه می‌شود. به‌عنوان‌مثال در تصویر زیر چند حالت ممکن برای انواع جبران سازی توان راکتیو الکتروموتور در حالت انفرادی را مشاهده می‌کنید. در این تصویر عبارت Starter به معنی راه‌انداز کنتاکتوری بوده و ما مجاز به اتصال خازن در خروجی سافت‌استارترها و درایوها نیستیم. این کار باعث آسیب جدی به سافت‌استارتر و درایو می‌شود.

از انواع جبران سازی توان راکتیو روش اول در تصویر فوق بهترین و ارزان‌ترین حالت است. در این روش به ادوات سوئیچ و حفاظت جداگانه برای خازن نیاز نبوده و تبادل توان راکتیو در کوتاه‌ترین مسیر انجام می‌شود.

با نصب خازن در نزدیکی الکتروموتور می‌توان جریان عبوری از کابل، بی‌متال، کنتاکتور، سیستم حفاظتی و غیره را کاهش داده و سایز آن‌ها را کوچک‌تر انتخاب کرد. قابل‌ذکر است که این روش بهترین گزینه برای کاهش تلفات هادی‌ها محسوب می‌شود.

حالت دوم نصب خازن در تابلوی استارتر و بعد از کنتاکتور را نمایش می‌دهد. در این روش نیز حفاظت و سوئیچ خازن با تجهیزات الکتروموتور انجام‌شده و هزینه‌ها کاهش پیدا می‌کند. با توجه به محل نصب خازن می‌توان سایز کنتاکتور، ادوات حفاظتی و کابل‌های به سمت بالادست را کوچک‌تر انتخاب کرد.

در نظر داشته باشید که نصب خازن در این موقعیت باعث کاهش جریان بی‌متال و کابل‌های به سمت الکتروموتور نخواهد شد. به‌عبارت‌دیگر ادوات پس از خازن باید بر اساس جریان کامل الکتروموتور به‌صورت اکتیو و راکتیو انتخاب شوند.

اتصال مستقیم خازن به ترمینال‌های الکتروموتور باعث کاهش هزینه‌ها و کوچک‌تر شده سایز تجهیزات می‌شود اما دو ایراد اساسی دارد:

• ایجاد فاز معکوس در راه‌اندازی‌های سریع
• ژنراتوری شدن موتور پس از قطع تغذیه

اتصال خازن به ترمینال‌های موتور می‌تواند در راه‌اندازی‌های سریع به صورت تک‌ضرب، چپ‌گرد و راست‌گرد و ستاره مثلث باعث ایجاد فاز معکوس شود. این حالت به علت عدم تخلیه‌ی خازن صورت گرفته و می‌تواند جریان راه‌اندازی یا آرک شدید در کنتاکتور ایجاد کند.

با استفاده از کنتاکتور در مدار الکتروموتورها ما هیچ کنترلی در پروسه‌ی توقف نداریم. توقف می‌تواند به صورت قطع تغذیه، توقف نرم، ترمز الکتریکی و غیره انجام شود. به‌عبارت‌دیگر توقف در این روش به‌صورت قطع تغذیه یا Direct Stop بوده و الکتروموتور با توجه به اینرسی بار متوقف خواهد شد.

اتصال خازن به ترمینال‌های الکتروموتور و چرخش آن پس از قطع تغذیه می‌تواند موتور را به یک ژنراتور تبدیل کند. حالت‌های 1 و 2 تصویر جبران سازی انفرادی الکتروموتور است. در این حالت انرژی موجود در خازن نقش تحریک را ایفا کرده و باعث ایجاد اضافه ولتاژ لحظه‌ای تا دو برابر ولتاژ منبع می‌شود. این اضافه ولتاژ می‌تواند روی سلامت عایق الکتروموتور، کابل‌ها، کنتاکتور و غیره تاثیر گذار باشد.

برای رفع مشکل ژنراتوری شدن الکتروموتور باید ترتیبی اتخاذ شود تا خازن فقط در حالت کار دائم وارد مدار شود. به عبارت ساده‌تر در این حالت خازن پس از راه‌اندازی الکتروموتور وارد مدار شده و قبل از توقف آن از مدار خارج می‌شود. طبق تصویر زیر، برای این کار می‌توان از دو مدل مختلف استفاده کرد.

در حالت اول خازن توسط یک کنتاکتور جداگانه به ترمینال‌های الکتروموتور متصل می‌شود. در این روش خازن به تجهیزات حفاظت اضافه جریان نیازی نداشته و توسط فیوز یا بریکر الکتروموتور محافظت می‌شود. از جمله مزایای این روش می‌توان به‌سادگی، ارزان بودن، کاهش تلفات کابل‌ها، به حداقل رساندن افت ولتاژ، کاهش سایز کابل، بی‌متال، کنتاکتور الکتروموتور و غیره اشاره کرد.

مطالبی که در حال مطالعه ی آن هستید به صورت تصویری در دوره طراحی بانک خازن آموزش داده شده است. در این دوره تصویری با توان در جریان متناوب، مفهوم جبران سازی توان راکتیو، مزایای فنی و اقتصادی جبران سازی، مشخصات بانک خازن، محاسبه ضریب توان، محاسبه خازن از طریق قبض برق، انتخاب خازن برای الکتروموتور و ترانسفورماتور، انتخاب تجهیزات سوئیچ و حفاظت در بانک خازن و دستور العمل راه اندازی بانک خازن آشنا شده و چند بانک خازن را به صورت عملی بررسی و تست می کنیم. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص این دوره می توانید روی عبارت طراحی بانک خازن کلیک کنید.

در حالت دوم یک خط جداگانه برای خازن در نظر گرفته شده و می‌توان آن را در تابلوی راه‌انداز الکتروموتور نصب کرد. در این مدل؛ خازن به کنتاکتور و ادوات حفاظت اضافه جریان جداگانه نیاز داشته و نسبت به حالت قبلی هزینه‌ی بالاتری دارد. در نظر داشته باشید که نصب خازن در این محل باعث کاهش جریان به‌طرف الکتروموتور نخواهد شد.

همان‌طور که قبلا شرح داده شد خازن باعث کاهش جریان از نقطه‌ی نصب به سمت بالادست شده و در این مدار تاثیری روی جریان عبوری الکتروموتور از بریکر، کنتاکتور، بی‌متال و کابل‌های آن ندارد. تجهیزات الکتروموتور در این روش نباید کوچک‌تر انتخاب شود..

قبل از انتخاب محل و انواع جبران سازی توان راکتیو به صورت انفرادی یک الکتروموتور باید تعداد سوئیچ، فاصله‌ی زمانی و روش راه‌اندازی الکتروموتور را مشخص کرده و به این نکات توجه کنید:

• هرگز خازن‌ها را به خروجی سافت‌استارتر و درایو متصل نکنید.
• سوئیچ‌های سریع می‌تواند باعث ایجاد فاز معکوس شود. در این حالت بهتر است خازن توسط یک خط جداگانه در مدار بماند.
• در صورت کوتاه بودن فاصله‌ی زمانی سوئیچ خازن؛ حتما از مقاومت تخلیه استفاده کنید. این واحد معمولا روی خازن‌ها وجود دارد.
• ادوات تخلیه باید ولتاژ خازن را تا قبل از استارت بعدی به کمتر از 10 درصد ولتاژ نامی آن برسانند.
• در صورت بالا بودن اینرسی بار ممکن است الکتروموتور هنگام توقف به ژنراتور تبدیل شود. در این حالت از یک کنتاکتور جداگانه برای خازن استفاده کنید.
• جبران سازی نباید بیشتر از 90 درصد توان راکتیو موردنیاز بار در بی‌باری کامل باشد.
• در حالت ستاره مثلث بهتر است خازن پس از راه‌اندازی کامل و با یک سوئیچ جداگانه وارد مدار شود.
• در حالت ستاره مثلث خازن را به خروجی کنتاکتورهای ستاره یا مثلث متصل نکنید.
• بهتر است خازن پس از راه‌اندازی وارد مدار شده و قبل از توقف از مدار خارج شود.

اصلاح ضریب توان گروهی

همان‌طور که شرح داده شد روش جبران سازی انفرادی یا توزیع‌شده باعث کاهش جریان، درنتیجه سایز تجهیزات و تلفات می‌شود. این حالت یک انتخاب عالی در شبکه‌های توزیع‌شده با بارهای متعدد یا بسیار بزرگ است.

جبران سازی انفرادی تنها مخصوص بارهای بزرگ مانند الکتروموتورها یا ترانسفورماتورها نبوده و در تجهیزات کوچک ولی متعدد مانند لامپ‌های فلورسنت نیز استفاده می‌شود. ایراد اصلی این روش افزایش تجهیزات و خازن‌های نصب شده در شبکه است. این روش ضمن بالا بردن هزینه‌های اولیه نیاز به سرویس و نگهداری بیشتری دارد.

به‌منظور کاهش هزینه‌ها و تعداد تجهیزات استفاده شده در شبکه می‌توان از انواع جبران سازی توان راکتیو استفاده کرد. به‌عنوان‌مثال روش اصلاح ضریب توان گروهی (Group power factor correction) را در نظر بگیرید. این حالت جهت برقراری تعادل بین کاهش هزینه‌ها و مدیریت تجهیزات ایجادشده است.

طبق تصویر زیر از جبران سازی گروهی جهت تأمین توان راکتیو مجموعه‌ای از بارها با خصوصیات الکتریکی و ضریب توان یکسان استفاده می‌شود.

نکته‌ی مهم در این روش؛ مشخصه و زمان کار یکسان تجهیزات است. به‌عبارت‌دیگر از حالت جبران سازی گروهی می‌توان برای تعدادی بار متمرکز با خصوصیات ثابت و  زمان کار یکسان استفاده کرد. همان‌گونه که مشاهده می‌کنید خازن در این روش با سیستم حفاظتی و سوئیچ جداگانه نصب شده ولی به‌صورت هم‌زمان با مصرف‌کننده‌های دیگر کنترل می‌شود.

در جبران سازی گروهی تغییر زمان کار تجهیزات یا میزان توان راکتیو درخواستی آن‌ها باعث افزایش خطا خواهد شد. به‌عنوان‌مثال اگر خازن برای جبران سازی توان راکتیو تعدادی الکتروموتور با بار متغیر در نظر گرفته شده باشد ممکن است ضریب توان از محدوده‌ی مجاز خود خارج شود.

از طرفی جبران سازی گروهی باعث آزاد شدن ظرفیت کابل‌ها و تجهیزات بالادست شده و در کاهش جریان، سایز تجهیزات و تلفات کابل‌های مربوط به بارها نقشی ندارد.

اصلاح ضریب توان مرکزی

با پراکنده شدن تأسیسات و افزایش تعداد بارها؛ میزان توان مصرفی از حالت ثابت خارج‌شده و پدیده‌ای با عنوان ضریب هم‌زمانی تعریف می‌شود. قابل ذکر است در روش‌های انفرادی و گروهی مشخصه‌ها و زمان اتصال بارها ثابت است. اصطلاح ضریب هم‌زمانی در تأسیسات بیان‌کننده‌ی ارتباط بین میزان مصرف و زمان است. به عبارت ساده‌تر در تأسیسات بزرگ میزان مصرف یکنواخت نبوده و در رابطه با زمان تغییر می‌کند.

برای درک بهتر این موضوع یک پست توزیع یا فوق توزیع را در نظر بگیرید. این پست‌ها ممکن است بارهای مسکونی، تجاری، صنعتی و یا ترکیبی از این موارد را تغذیه کنند. میزان مصرف این پست‌ها در طول شبانه‌روز و حتی در طول فصل‌های سال متفاوت بوده و درنتیجه میزان توان راکتیو آن‌ها نیز متغیر است.

در این شرایط استفاده از جبران سازی‌های انفرادی و گروهی در طول شبکه توجیه اقتصادی نداشته و معمولا از مدل دیگری با عنوان جبران سازی مرکزی (Centralized power factor correction) که از انواع جبران سازی توان راکتیو می باشد، استفاده می کنیم.

در جبران سازی متمرکز؛ خازن‌ها در ابتدای فیدرها  مانند پست‌های توزیع یا فوق توزیع نصب شده و توان راکتیو مورد تقاضای تمام بارها را در زمان پیک پوشش می‌دهند. معمولا این خازن‌ها با ظرفیت محدودی طراحی شده و به‌صورت برنامه‌ریزی شده به‌عنوان‌مثال با ساعت‌های فرمان و یا از طریق سیستم اسکادا کنترل می‌شوند.

با متمرکز شدن خازن‌ها ضمن کاهش تجهیزات حفاظتی و سوئیچ، برنامه‌هایی سرویس و نگهداری نیز موثرتر می‌شود.

اصلاح ضریب توان ترکیبی

در شبکه‌های گسترده مانند شبکه‌های انتقال و توزیع نیروی برق یا شبکه‌های داخل کارخانه‌های بزرگ تقریبا از تمام روش‌های جبران سازی استفاده می‌شود. در این شرایط و با در کنار هم قرار گرفتن خازن‌ها، کندانسورها و غیره نوع دیگری از جبران سازی با عنوان اصلاح ضریب توان ترکیبی (Combined power factor correction) شکل می‌گیرد.

طبق تصویر بالا در این روش برای اصلاح ضریب توان بارهای بزرگ با زمان کار طولانی از جبران سازی انفرادی استفاده می‌شود. بارهای گروهی نیز دارای خازن‌های خاص خود بوده و در نهایت از روش متمرکز برای جبران سازی توان راکتیو باقی‌مانده استفاده می‌کنند. این روش ترکیبی از خازن گذاری‌ مصرف‌کننده‌ی نهایی، شرکت‌های توزیع و شرکت‌های انتقال بوده و برآیند کلی آن باعث پایداری شبکه، کاهش سایز تجهیزات و کنترل تلفات است.

اصلاح ضریب توان اتوماتیک

کنترل خازن‌ها در روش‌های جبران سازی انفرادی و گروهی توسط بار صورت می‌گیرد. در این تأسیسات روشن شدن یک یا گروهی از بارها باعث وصل کنتاکتور مربوط به خازن شده و جبران سازی به‌صورت هم‌زمان انجام خواهد شد. در نظر داشته باشید که این مدل از جبران سازی برای بارهای با ضریب توان ثابت استفاده شده و در حالت‌های متغیر قابل‌اعتماد نیست.

به‌عنوان‌مثال تغییرات بار یک شرکت را در نظر بگیرد. در این تأسیسات ممکن است بارهایی با زمان کار مقطعی و قطع و وصل‌های مکرر وجود داشته باشند. استفاده از خازن‌های انفرادی در این روش مقرون به‌صرفه نبوده و روش‌ متمرکز نیز ممکن است با اختلالاتی مواجه شود. در این حالت امکان کاهش یا افزایش بیش از حد ضریب توان با تغییرات بارها وجود داشته و مشکلاتی مانند جریمه‌ها و یا خازنی شدن شبکه را در پی خواهد داشت.

برای تأمین توان راکتیو بارهای متغیر؛ روش دیگری از انواع جبران سازی توان راکتیو با عنوان اصلاح ضریب توان خودکار یا اتوماتیک ( Automate power factor correction) ابداع شده است. این روش ترکیبی از ویژگی‌های جبران سازی متمرکز با لوازم اندازه‌گیری توان است که می‌تواند به‌صورت خودکار خازن‌ها را قطع و وصل کند. در تصویر زیر روش قرارگیری سیستم جبران سازی اتوماتیک یا بانک خازن در تابلوی اصلی را مشاهده می کنید.

در حالت خودکار میزان ضریب توان شبکه دائما توسط رگولاتور خازنی در حال اندازه‌گیری بوده و بر اساس آن خازن‌ها کنترل می‌شوند. با این روش ضریب توان شبکه در یک بازه‌ی تقریبا ثابت قرار گرفته و از جریمه‌ها جلوگیری می‌شود. در حالت خودکار خازن‌ها به‌صورت متمرکز بوده و ظرفیت خازن‌های نصب شده در تأسیسات کاهش پیدا می‌کند. این روش مزایای دیگری مانند سرویس و نگه‌داری ساده، کاهش تعداد تجهیزات و غیره را داشته و در تأسیسات متمرکز مانند شرکت‌ها و کارخانه‌ها استفاده می‌شود. به‌صورت کلی می‌توان مزایا و معایب این روش عبارت‌اند از:

مزایا:

• استفاده‌ی مفید از خازن‌های نصب شده
• در نظر گرفتن ضریب هم‌زمانی و کاهش ظرفیت خازن‌ها
• سوئیچ خازن‌ها متناسب با نیازمندی تأسیسات به توان راکتیو
• بهره‌برداری، تعمیرات و توسعه‌ی راحت‌تر

معایب:

• عدم کاهش جریان و بار داخلی شبکه
• افزایش هزینه‌های مدیریت و سوئیچ خازن
• طراحی، ساخت و راه‌اندازی پیچیده

یک مرکز جبران سازی اتوماتیک به‌صورت کلی از بخش‌های زیر تشکیل‌شده است. با توجه به نوع طراحی و کاربری ممکن است از ادوات دیگر نیز استفاده شود:

• لوازم اندازه‌گیری ضریب توان و بخش کنترل‌کننده‌ی خازن‌ها بر اساس تنظیمات
• سوئیچ‌ها به‌صورت کنتاکتور یا تایرستور
• واحدهای خازنی و راکتورها در صورت وجود هارمونیک
• المان دشارژ خازن‌ها. این بخش معمولا به همراه خازن‌ها ارائه می‌شود.
• تجهیزات حفاظت اضافه جریان برای هر واحد خازن و کل بانک
• بخش فرمان شامل حفاظت، کلیدهای فرمان، چراغ‌های سیگنال و غیره
• تهویه شامل فن، ترموستات، هیتر، کولر، فیلتر و غیره
• سیستم‌های ارتباطی و مانیتورینگ
• محفظه یا تابلو جهت نگهداری تمام تجهیزات

سیستم جبران سازی خودکار یا بانک خازن اتوماتیک بر اساس نیازمندی‌های تأسیسات طراحی شده و مشخصات ثابتی ندارند. معمولا اطلاعات این بانک‌ها بر اساس ظرفیت، روش سوئیچ و غیره بیان می‌شود. برخی از این مشخصه‌ها عبارت‌اند از:

• کل توان راکتیو بانک خازن در ولتاژ و فرکانس نقطه‌ی نصب
• مشخصات خازن‌ها از نظر ساختار، ولتاژ، سیستم دشارژ و غیره
• تعداد و ظرفیت هر پله
• نسبت بین پله‌ها
• تعداد و نوع راکتورهای موجود
• نوع سوئیچ به‌صورت کنتاکتور یا تایرستور سوئیچ (Fast-Acting PFC Unit)
• نوع رگولاتور خازن و نحوه‌ی کنترل پله‌ها به همراه مشخصات ترانس جریان
• نوع سیستم حفاظت اضافه جریان شامل بریکر، فیوز ذوب شونده یا ترکیب آن‌ها
• جنس و پوشش اسکلت یا تابلو
• حفاظت در برابر نفوذ اجسام خارجی و مایعات IP
• نقشه‌های بخش قدرت و کنترل به همراه اطلاعات موردنیاز در خصوص سرویس و نگهداری‌های دوره‌ای

محتوای این مقالات برگرفته از کتاب جبران سازی توان راکتیو تالیف مثلث زرد می باشد. این کتاب دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد غیرمجاز بوده و پیگرد قانونی دارد.