Kondensatorbank: Definition, anvendelser og fordele
En kondensatorbank er en gruppe af flere kondensatorer med samme rating, der er forbundet i serie eller parallel for at lagre elektrisk energi i et elektrisk strømsystem. Kondensatorer er enheder, der kan lagre elektrisk ladning ved at oprette et elektrisk felt mellem to metalplader, adskilt af et isolerende materiale. Kondensatorbanker anvendes til forskellige formål, såsom korrektion af effektfaktor, spændingsregulering, harmonifiltering og undertrykkelse af kortvarige højspændinger.
Hvad er effektfaktor?
Effektfaktor er en måling af, hvor effektivt et AC (alternativstrøm)-strømsystem bruger den leverede strøm. Den defineres som forholdet mellem reel effekt (P) og synlig effekt (S), hvor reel effekt er den effekt, der udfører nyttigt arbejde i belastningen, og synlig effekt er produktet af spænding (V) og strøm (I) i kredsløbet. Effektfaktor kan også udtrykkes som cosinus af vinklen (θ) mellem spænding og strøm.
Effektfaktor = P/S = VI cos θ
Den ideale effektfaktor er 1, hvilket betyder, at al den leverede strøm bliver konverteret til nyttigt arbejde, og der ikke er nogen reaktiv effekt (Q) i kredsløbet. Reactiv effekt er den effekt, der bevæger sig frem og tilbage mellem kilden og belastningen på grund af tilstedeværelsen af induktive eller kapacitive elementer, såsom motorer, transformatorer, kondensatorer osv. Reactiv effekt udfører ingen arbejde, men det forårsager ekstra tab og reducerer systemets effektivitet.
Reaktiv effekt = Q = VI sin θ
Effektfaktoren for et system kan variere fra 0 til 1, afhængigt af typen og mængden af belastning, der er forbundet til det. En lav effektfaktor indikerer en høj reaktiv effektbevilling og en dårlig udnyttelse af den leverede strøm. En høj effektfaktor indikerer en lav reaktiv effektbevilling og bedre udnyttelse af den leverede strøm.
Hvorfor er effektfaktorkorrektion vigtig?
Effektfaktorkorrektion er processen med at forbedre effektfaktoren for et system ved at tilføje eller fjerne reaktive effektkilder, såsom kondensatorbanker eller synchrone kondensatorer. Effektfaktorkorrektion har flere fordele både for virksomhed og forbruger, såsom:
Reduktion af ledningsstab og forbedring af systemeffektiviteten: En lav effektfaktor betyder en høj strømflod i systemet, hvilket øger de resistive tab (I2R) og reducerer spændingsniveauet ved belastningens ende. Ved at øge effektfaktoren reduceres strømfloden, og tabene minimeres, hvilket resulterer i et højere spændingsniveau og bedre systemytelse.
Øgning af systemkapacitet og -fiabilitet: En lav effektfaktor betyder en høj synlig effektbevilling fra kilden, hvilket begrænser mængden af reel effekt, der kan leveres til belastningen. Ved at øge effektfaktoren reduceres synligeffektbevillingen, og mere reel effekt kan leveres til belastningen, hvilket resulterer i en højere systemkapacitet og -fiabilitet.
Reduktion af virksomhedsmidler og sanktioner: Mange virksomheder pålægger ekstra gebyrer eller sanktioner for forbrugere, der har en lav effektfaktor, da de forårsager mere byrde på transmissions- og distributionsnettet og øger deres driftsomkostninger. Ved at øge effektfaktoren kan disse gebyrer eller sanktioner undgås eller reduceres, hvilket resulterer i lavere elregninger for forbrugerne.
Hvordan fungerer en kondensatorbank?
En kondensatorbank fungerer ved at levere eller absorbere reaktiv effekt til eller fra systemet, afhængigt af dens forbindelsesmode og placering. Der findes to hovedtyper kondensatorbanker: shunt-kondensatorbanker og serie-kondensatorbanker.
Shunt-kondensatorbanker
Shunt-kondensatorbanker er forbundet parallelle med belastningen eller på specifikke punkter i systemet, såsom understationer eller forsyninger. De leverer førende reaktiv effekt (positiv Q) for at nulstille eller reducere bagefterstående reaktiv effekt (negativ Q), der er forårsaget af induktive belastninger, såsom motorer, transformatorer osv. Dette forbedrer effektfaktoren for systemet og reducerer ledningsstab.
Shunt-kondensatorbanker har flere fordele over andre typer reaktiveffektkompensationsenheder, såsom:
De er relativt simple, billige og lette at installere og vedligeholde.
De kan slås til eller fra efter variation i belastning eller systemkrav.
De kan opdeles i mindre enheder eller trin for at give mere fleksibilitet og præcision i reaktiv effekt kontrol.
De kan forbedre spændingsstabilitet og -kvalitet ved belastningens ende ved at give lokal reaktiv støtte.
Imidlertid har shunt-kondensatorbanker også nogle ulemper eller begrænsninger, såsom:
De kan forårsage overspænding eller resonansproblemer, hvis de ikke er korrekt designet eller koordineret med andre enheder i systemet.
De kan introducere harmonier eller forvrængelser i systemet, hvis de ikke er korrekt filtrerede eller beskyttede.
De kan ikke være effektive for lange transmissionsledninger eller fordelt belastning.
Serie-kondensatorbanker
Serie-kondensatorbanker er forbundet i serie med belastningen eller transmissionsledningen, hvilket reducerer kredsløbets effektive impedans. De leverer bagefterstående reaktiv effekt (negativ Q) for at nulstille eller reducere førende reaktiv effekt (positiv Q), der er forårsaget af kapacitive belastninger, såsom lange kabler, transmissionsledninger osv. Dette forbedrer spændingsreguleringen og -stabiliteten af systemet.
Serie-kondensatorbanker har nogle fordele over shunt-kondensatorbanker, såsom:
De kan øge overførselskapaciteten og -effektiviteten af lange transmissionsledninger ved at reducere ledningsstab og spændingsfald.
De kan reducere kortslutningsstrømmen og fejllevelen i systemet ved at øge impedansen i fejlvejen.
De kan forbedre systemets transiente respons og demping ved at reducere den naturlige frekvens og oscilleringer.
Imidlertid har serie-kondensatorbanker også nogle ulemper eller begrænsninger, såsom:
De kan forårsage overspænding eller resonansproblemer, hvis de ikke er korrekt designet eller beskyttet. For eksempel kan spændingen på kondensatoren under en fejltilstand stige op til 15 gange dens nominelle værdi, hvilket kan skade kondensatoren eller anden udstyr i systemet.
De kan introducere harmonier eller forvrængelser i systemet, hvis de ikke er korrekt filtrerede eller kompenseret.
De kan ikke være effektive for lav spænding eller fordelt belastning.
Hvordan beregnes størrelsen af en kondensatorbank?
Størrelsen af en kondensatorbank afhænger af flere faktorer, såsom:
Den ønskede effektfaktorforbedring eller reaktiv effekt kompensation
Spændingsniveauet og frekvensen i systemet
Typen og placeringen af kondensatorbanken (shunt eller serie)
Belastningskarakteristika og variation
Kosten og tilgængeligheden af kondensatorenheder
Den grundlæggende formel for at beregne størrelsen af en shunt-kondensatorbank er:
C = Q/V2f
Hvor,
