بانک خازن: تعریف، کاربردها و مزایا

بانک خازن مجموعه‌ای از چندین خازن با همان ظرفیت است که به صورت سری یا موازی در یک سیستم الکتریکی متصل می‌شوند تا انرژی الکتریکی را ذخیره کنند. خازن‌ها دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند بار الکتریکی را با ایجاد یک میدان الکتریکی بین دو صفحه فلزی جدا شده توسط یک ماده عایق ذخیره کنند. بانک‌های خازن برای اهداف مختلفی مانند اصلاح عامل توان، تنظیم ولتاژ، فیلتر کردن هارمونیک و سرکوب ترانزیانت‌ها استفاده می‌شوند.

عامل توان چیست؟

عامل توان معیاری است که نشان‌دهنده کارایی استفاده از توان در یک سیستم جریان متناوب (AC) است. این عامل به عنوان نسبت توان حقیقی (P) به توان ظاهری (S) تعریف می‌شود، که توان حقیقی توانی است که کار مفیدی در بار انجام می‌دهد و توان ظاهری حاصل ضرب ولتاژ (V) و جریان (I) در مدار است. عامل توان می‌تواند به صورت کسینوس زاویه (θ) بین ولتاژ و جریان نیز بیان شود.

عامل توان = P/S = VI cos θ

عامل توان ایده‌آل ۱ است، که به این معناست که تمام توان تأمین شده به کار مفید تبدیل می‌شود و توان واکنشی (Q) در مدار وجود ندارد. توان واکنشی توانی است که به دلیل وجود عناصر القایی یا خازنی مانند موتورها، ترانسفورماتورها، خازن‌ها و غیره بین منبع و بار حرکت می‌کند. توان واکنشی هیچ کاری انجام نمی‌دهد، اما باعث اتلاف اضافی و کاهش کارایی سیستم می‌شود.

توان واکنشی = Q = VI sin θ

عامل توان یک سیستم می‌تواند از ۰ تا ۱ متغیر باشد، بسته به نوع و مقدار بار متصل به آن. یک عامل توان پایین نشان‌دهنده تقاضای بالای توان واکنشی و استفاده ضعیف از توان تأمین شده است. یک عامل توان بالا نشان‌دهنده تقاضای پایین توان واکنشی و استفاده بهتر از توان تأمین شده است.

اصلاح عامل توان چرا مهم است؟

اصلاح عامل توان فرآیند بهبود عامل توان یک سیستم با افزودن یا حذف منابع توان واکنشی، مانند بانک‌های خازن یا مبدل‌های همزمان است. اصلاح عامل توان مزایای متعددی برای هر دو طرف تامین‌کننده و مصرف‌کننده دارد، مانند:

• کاهش اتلاف خط و بهبود کارایی سیستم: یک عامل توان پایین به معنای جریان بالا در سیستم است که اتلاف مقاومتی (I2R) را افزایش می‌دهد و سطح ولتاژ در سمت بار را کاهش می‌دهد. با افزایش عامل توان، جریان کاهش می‌یابد و اتلاف‌ها به حداقل می‌رسند، که منجر به سطح ولتاژ بالاتر و عملکرد بهتر سیستم می‌شود.

• افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستم: یک عامل توان پایین به معنای تقاضای بالای توان ظاهری از منبع است که مقدار توان حقیقی که می‌تواند به بار تحویل داده شود را محدود می‌کند. با افزایش عامل توان، تقاضای توان ظاهری کاهش می‌یابد و بیشتر توان حقیقی می‌تواند به بار تحویل داده شود، که منجر به ظرفیت و قابلیت اطمینان بالاتر سیستم می‌شود.

• کاهش هزینه‌ها و جریمه‌های تامین‌کننده: بسیاری از تامین‌کنندگان هزینه‌های اضافی یا جریمه‌هایی را برای مصرف‌کنندگانی که عامل توان پایینی دارند تعیین می‌کنند، چون آنها بار بیشتری را بر شبکه انتقال و توزیع می‌گذارند و هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهند. با افزایش عامل توان، این هزینه‌ها یا جریمه‌ها می‌توانند اجتناب یا کاهش یابند، که منجر به کاهش قبض برق برای مصرف‌کنندگان می‌شود.

بانک خازن چگونه کار می‌کند؟

بانک خازن با ارائه یا جذب توان واکنشی از سیستم، بسته به حالت اتصال و موقعیتش کار می‌کند. دو نوع اصلی بانک خازن وجود دارد: بانک‌های خازن شونت و بانک‌های خازن سری.

بانک‌های خازن شونت

بانک‌های خازن شونت به صورت موازی با بار یا در نقاط خاص سیستم مانند زیرстанیون‌ها یا فیدرها متصل می‌شوند. آنها توان واکنشی مثبت (Q+) را ارائه می‌دهند تا توان واکنشی منفی (Q-) ناشی از بارهای القایی مانند موتورها، ترانسفورماتورها و غیره را کاهش یا حذف کنند. این کار عامل توان سیستم را بهبود می‌بخشد و اتلاف خط را کاهش می‌دهد.

بانک‌های خازن شونت مزایای متعددی نسبت به دیگر دستگاه‌های جبران توان واکنشی دارند، مانند:

• آنها نسبتاً ساده، ارزان و آسان برای نصب و نگهداری هستند.

• آنها می‌توانند بر اساس تغییر بار یا نیاز سیستم روشن یا خاموش شوند.

• آنها می‌توانند به واحدهای کوچک‌تر یا مرحله‌هایی تقسیم شوند تا کنترل دقیق‌تر و انعطاف‌پذیرتر توان واکنشی امکان‌پذیر شود.

• آنها می‌توانند با ارائه حمایت واکنشی محلی، ثبات و کیفیت ولتاژ در سمت بار را بهبود بخشند.

با این حال، بانک‌های خازن شونت نیز برخی از محدودیت‌ها یا م Nachteile haben, wie zum Beispiel:

Reihenkondensatorbanken

Reihenkondensatorbanken werden in Reihe mit der Last oder der Überspannungsleitung verbunden, um den effektiven Widerstand des Schaltkreises zu reduzieren. Sie liefern reaktives Leistungsaufkommen (negative Q), um das vorausgehende reaktive Leistungsaufkommen (positive Q) durch kapazitive Lasten wie lange Kabel, Überspannungsleitungen usw. zu kompensieren oder zu reduzieren. Dies verbessert die Spannungsregelung und Stabilität des Systems.

Reihenkondensatorbanken haben einige Vorteile gegenüber Shunt-Kondensatorbanken, wie zum Beispiel:

• Sie können die Leistungsovertragungsfähigkeit und Effizienz langer Überspannungsleitungen durch Reduzierung von Leitungsschwund und Spannungsabfall erhöhen.

• Sie können den Kurzschlussstrom und den Fehlerpegel des Systems durch Erhöhung des Widerstands des Fehlerspfades reduzieren.

• Sie können die Transientantwort und Dämpfung des Systems durch Reduzierung der natürlichen Frequenz und Oszillationen verbessern.

Allerdings haben Reihenkondensatorbanken auch einige Nachteile oder Limitationen, wie zum Beispiel:

• Sie können Überspannungs- oder Resonanzprobleme verursachen, wenn sie nicht richtig entworfen oder geschützt sind. Zum Beispiel kann bei einem Fehlerzustand die Spannung über dem Kondensator bis zu 15-mal ihren Nennwert erreichen, was den Kondensator oder andere Geräte im System beschädigen kann.

• Sie können Harmonische oder Verzerrungen in das System einführen, wenn sie nicht richtig gefiltert oder kompensiert sind.

• Sie können für niedrige Spannungen oder verteilte Lasten nicht effektiv sein.

Wie berechnet man die Größe einer Kondensatorbank?

Die Größe einer Kondensatorbank hängt von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel:

• Die gewünschte Verbesserung des Leistungsfaktors oder die reaktive Leistungskompensation

• Der Spannungsniveau und die Frequenz des Systems

• Der Typ und Standort der Kondensatorbank (Shunt oder Series)

• Die Lastcharakteristiken und -variationen

• Die Kosten und Verfügbarkeit der Kondensatoreinheiten